仰望星空，近百年來射電天文學的發(fā)展及射電望遠鏡的發(fā)明使用，重構(gòu)了人類對宇宙的理解，延伸了人類的“宇宙之眼”，使深空探索從哲學思辨邁向?qū)嵶C科學。而今，大口徑射電望遠鏡仍在拓展人類認知邊疆，持續(xù)追問著宇宙的起源與邊際。
接收機，作為射電望遠鏡核心零部件之一，在射電望遠鏡發(fā)揮其非凡作用的過程中扮演著舉足輕重的角色。它像一位精通多國語言的翻譯官，在電磁波的汪洋大海中，精準打撈所我們需的信號，再翻譯成能看懂的文字、聽到的聲音。接收機的這種“信號翻譯”的能力，不僅能服務(wù)于日常生活，也是探索宇宙的關(guān)鍵所在。今天，就讓我們一起來了解射電望遠鏡中的接收機吧！
南山26米射電望遠鏡接收機：高能破解宇宙“密語”
中國科學院新疆天文臺南山觀測站的26米射電望遠鏡，其外形似大鍋，但如果你認為這就是它的全部構(gòu)造，那就大錯特錯了。“大鍋”只是望遠鏡的一部分，相當于手機的攝像頭，僅負責匯聚電磁波；但要把匯聚起來的電磁波進一步傳輸?shù)诫娔X終端，變成科學家可以直接分析的信號，便離不開焦平面處放置的接收機。
南山26米射電望遠鏡
（圖片來源：中國科學院新疆天文臺）
接收機一般由喇叭饋源、正交模耦合器、低噪聲放大器、濾波器、混頻器等器件組成，目的是將原始的射電信號放大、濾波及變頻至中頻信號后，傳輸至數(shù)字終端記錄，再由科研人員進行后處理。
這一過程可類比為：站在離演唱會舞臺800米遠的位置，用手機清晰地錄制歌手的聲音。首先需要用高靈敏度的麥克風增強歌聲音量（放大），然后開啟麥克風“人聲增強”功能，過濾掉風聲、車鳴等干擾（濾波），再將原始歌聲降至適合手機處理的音調(diào)（變頻），最后將降調(diào)后的歌聲保存、修復，生成高清音頻（后處理）。
望遠鏡焦平面接收到的信號紛繁復雜，包含衛(wèi)星通信、移動通訊、廣播電視等諸多干擾信號，但對于接收機來說，它能將這些信號處理得游刃有余——高能拆解宇宙眾多“信號包裹”，取出其中有價值的“數(shù)據(jù)禮物”。
自1993年底建成投入使用以來，南山26米射電望遠鏡已經(jīng)分類拆解了宇宙中各式各樣的“信號包裹”，而要真正讀懂這些跨越光年的宇宙信號，接收機是關(guān)鍵之一。作為南山望遠鏡的專屬“信號解碼中心”，中國科學院新疆天文臺微波接收機實驗室于2011年自主研制的1.3厘米波段雙極化制冷接收機，為中國科學院新疆天文臺在分子譜線、活動星系核和VLBI觀測領(lǐng)域的研究提供了有力支撐，助力取得多項重要突破及成果。此外，26米射電望遠鏡的建成使用，使得中國科學院新疆天文臺成為我國脈沖星實測領(lǐng)域最早的觀測基地，為中國脈沖星研究打造了重要“數(shù)據(jù)庫”。
新疆天文臺南山觀測站26米射電望遠鏡配備的1.3cm波段（22-24.2GHz）制冷接收機
（圖片來源：中國科學院新疆天文臺）
接收機技術(shù)：射電望遠鏡探測靈敏度的決定因素之一
射電望遠鏡系統(tǒng)的探測靈敏度不僅與反射面的口徑有關(guān)，還與接收機密切相關(guān)。靈敏度，即射電望遠鏡可觀測信號強弱的能力，它決定了人類能“聽”到多遠的宇宙低語。接收機是電子版的“狗鼻子”，靈敏度堪比警犬，能在嘈雜紛亂的電磁環(huán)境里，嗅出藏得最深的那顆目標天體“肉骨頭”。
在射電天文領(lǐng)域，科研人員通常用噪聲溫度來等效表示接收機的靈敏度，其數(shù)值直接反映了接收系統(tǒng)自身的噪聲量級，數(shù)值越低表明接收機靈敏度就越高，越能探測到更暗弱的信號。
位于智利阿塔卡馬沙漠的ALMA望遠鏡，為了在毫米波/亞毫米波頻段提高其靈敏度，采用液氮冷卻的接收機，使得接收機噪聲溫度控制在10K（1K約等于-272.15℃）左右，以抵消高天空背景噪聲的影響，與常溫接收機（50K）對比，其靈敏度提高了30%以上，這也是其能探測到原行星盤等弱信號的關(guān)鍵因素之一。
接收機家族大比拼：三種“信號捕手”的江湖絕技
除靈敏度外，接收機還有另一個重要的性能參數(shù)——視場大小。更廣闊的望遠鏡視場意味著觀測效率的大幅提升，使得大面積巡天更加有效。現(xiàn)階段世界上著名射電望遠鏡，以能實現(xiàn)的觀測視場為劃分標準，可將接收機分為單波束接收機、多波束接收機和相控陣接收機三類。它們各自都有哪些核心能力呢？別急，下面為大家一一揭曉。
1.單波束接收機：像狙擊手瞄準目標，一次只能鎖定一個方向的目標（一片天區(qū)）。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低；但受限于其狹小的覆蓋面，想要觀察臨近天區(qū)新目標，必須調(diào)轉(zhuǎn)望遠鏡的觀測方向，在同時接收多個天區(qū)方向信號方面優(yōu)勢不明顯；
2.多波束接收機：能同時伸出N條“電子觸手”（波束），監(jiān)聽鄰近的多個天區(qū)。其優(yōu)點是等效于多個單波束接收機合而為一，大幅提升了觀測效率。但多個饋源之間的物理間隔使得最終觀測的多片天區(qū)并不連續(xù)，且波形固定、靈活性有限。此外，由于體積限制，接收機裝配波束數(shù)量存在上限，若同時接收波束太多，會使得信號處理器的處理壓力劇增；
3.相控陣接收機：通過上百個微型天線單元協(xié)同工作，利用波束形成算法，使得合成的多個波束緊密相連，以實現(xiàn)鄰近多片天區(qū)連續(xù)的視場覆蓋，進一步提升觀測效率；同時，可以動態(tài)調(diào)整望遠鏡各個波束，以實現(xiàn)反射面面型修正、抗干擾等功能。
它如同一位技藝超群的指揮家，精準掌控著由數(shù)百個天線組成的交響樂團。每個天線都是一個樂手，既能整齊劃一地演奏（聚焦觀測），捕捉脈沖星等深邃宇宙的獨奏；也能各司其職地即興合奏（寬視場巡天），搜尋快速射電暴等轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙強音。
不過，相控陣接收機雖展現(xiàn)出強大的技術(shù)優(yōu)勢，但仍有一定局限性——目前技術(shù)上可以實現(xiàn)的相控陣接收機應(yīng)用在0.7-1.8GHz頻段，難以實現(xiàn)對其他頻段信號的有效處理。
總之，不同類型的接收機有著獨有的特性，均在射電望遠鏡的觀測中發(fā)揮著舉足輕重的作用。隨著科技的不斷發(fā)展，接收機的性能將得到進一步提高，以滿足人類日益增長的觀測需求。
從左至右：單波束接收機、多波束接收機和相控陣接收機及模擬其單次拍攝到的實物對比
（圖片來源：中國科學院新疆天文臺）
展望未來——接收機助力人類傾聽更精細的宇宙“聲音”
射電望遠鏡接收機技術(shù)日新月異，其靈敏度、帶寬和視場的持續(xù)突破，不僅能有效提升觀測效率，還將為大尺度巡天、中性氫成圖、快速射電暴搜尋等科學目標的實現(xiàn)提供重要支撐。
未來，隨著相控陣接收機及超寬帶接收機在大型射電望遠鏡上的廣泛應(yīng)用，人類將有望傾聽更精細的宇宙“聲音”，為探索宇宙起源、地外生命等科學命題提供不可替代的觀測基石。
出品：科普中國
作者：王凱云朝昂（中國科學院新疆天文臺）
監(jiān)制：中國科普博覽
