澳洲射电天文训练营亲历记（上）

□ 王洪光

澳洲射电天文训练营亲历记（上）

□ 王洪光

出于工作的原因，我报名参加了2014年9月29日至10月3日举行的澳洲射电天文训练营。本次训练营的主题是射电综合孔径成像技术。射电综合孔径是将多个射电望远镜组合成一个阵列的技术。与单个射电天线不同，射电阵列在空间分辨率和天体成像效率等方面更有优势。

夕阳下澳大利亚致密射电天线阵（ATCA）

发达的澳洲射电天文

这个训练营在澳洲已有许多年的历史。澳洲的射电天文很发达，历史可以追溯到上世纪40年代。设备建造和维护的主力是联邦科学与工业研究组织（CSIRO）。CSIRO是一个规模庞大的全国性多学科的研究组织，其中天文和空间科学研究部门（CASS）位于悉尼。自从1961年建成帕克斯（Parkes）天文台的64米射电望远镜，联邦科学与工业研究组织（CSIRO）陆续建造了澳大利亚致密天线阵（ATCA）、22米墨普勒（Mopra）射电望远镜和平方千米阵探路者望远镜阵列（ASKAP）。众所周知，国际合作的下一代射电望远镜——平方千米阵（SKA）将在澳洲西部和南非建设。为了测试新技术，联邦科学与工业研究组织（CSIRO）从2009年开始建造澳大利亚平方千米阵探路者，台址选择在西澳默奇森（Murchison）射电天文台。该项目计划建设36面12米的望远镜阵列，目前已经完成了6面，安装了先进的第二代相位阵馈源（类似光学望远镜后端的CCD），并正在进行早期科学研究测试。

此外，悉尼大学在莫朗格洛（Molonglo）天文台建有综合孔径望远镜，塔斯马尼亚大学在塔斯马尼亚岛上的快乐山（Mount Pleasant，芒特普莱森特）天文台建有26米、14米和12米口径的三个射电望远镜。从2003年开始，用于空间项目的一面70米和两面34米口径堪培拉深空通讯天线也拿出部分时间用于天文观测。2007年，在距离澳洲西海岸城市珀斯以北800千米的默奇森（Murchison）射电天文台，美国、澳大利亚和印度的多所大学和研究所开始合作建设大视场射电阵MWA（Murchison Widefield Array），2013年投入科学运行。

面对巨大的技术挑战和科学需求，澳洲非常重视人才的培养，很早就开始举办射电天文训练营。联邦科学与工业研究组织（CSIRO）举办的射电综合孔径成像技术训练营开始于1999年，每年9月举行一次，地点在保罗威尔特（Paul Wild）天文台，使用6面22米口径的ATCA射电望远镜阵列进行教学。在十多年的研究生涯中，我还是第一次参加这样的培训。五天的培训里有许多有趣的事情，给了我很多特别的感受，我想不妨记录下来，和爱好天文的朋友们分享。

到达目的地

保罗威尔特（Paul Wild）天文台位于新南威尔士州北部，距离悉尼约530千米。9月28日上午，我从悉尼中央火车站出发。走进车厢，发现了几张熟悉的研究生的面孔，看来他们也是去参加培训的。在我的前排座位上有一位白发苍苍瘦小的老太太，此刻我还不知道她是训练营里年纪最大的学员。沿途海岸和内陆牧场风景优美，经过8个小时的旅行，傍晚时分到达天文台以东25千米的纳拉布赖镇（Narrabri），一个拥有6000人口的小镇。学员们分散在小镇的几家旅馆中。安顿好行李，我四处转了转，感受落日下小镇的悠闲与安逸。小镇不大，十五分钟便走完了最繁华的中心街道。中心街道两旁店铺林立，而其他街道则冷清许多。虽然小，各种市政设施却很完善。在中心街道的一处宣传板上，天文台和ATCA天线阵作为旅游景点之一赫然在目。

落日余晖下的射电天线

基础讲座

第二天一早，大巴车将五六十位学员运送到二十多千米外的天文台，开始了第一天的培训。绝大部分学员看起来非常年轻，活力四射，他们都是博士生吗？这个问题不久就有了答案。一位博士后在她的讲座中做了一个互动，她问：“有多少人是一年级博士生？”一多半的人举手。“二年级？”一小半举手。“三年级？”寥寥几个举手，还伴随着一些笑声。澳洲的学制和中国不同，理科本科三年，成绩优秀的可以读第四年荣誉本科学位，参与研究项目。博士研究生三年，许多人在博士第一年选择参加与课题相关的观测培训，以便为后面的研究打基础。

第一天的培训主要是基础讲座，并安排了分组，从第二天下午开始，学员们将按照分组进行观测和数据处理等各环节的实践学习。每天上午安排两个时段的讲座，中间有半小时的早茶时间。地点是在天文台访客中心，那是一栋木质的平房，刚好装得下五六十人听课。早茶和下午茶是交流的好机会。早茶时分，学员和授课人员聚集在平房外的走廊上，喝着咖啡和饮料、吃着点心，兴高采烈地聊天。平房外面就是一眼望不到尽头的铁轨，几台射电望远镜坐落在铁轨上，天文味十足。下午的实践活动集中在射电阵控制中心，一栋两层小楼。同样分两个时段，中间有半小时的下午茶。每天的午餐比较简单，餐厅提供几种不同口味的三明治、水果和蔬菜沙拉。填饱肚子之外，午餐更重要的作用是交流，在餐桌上可以听到许多有趣的想法和事情。餐厅入口处放着一架40厘米口径道布森望远镜，近一人高，非常显眼，在第四天晚上的聚餐活动中它将会派上用场。培训班大致的日程便是这样，除了教学活动，自由交流始终是训练营一个重要的环节。

培训班的内容安排得非常好，涉及射电阵列观测的方方面面。授课人都是在综合孔径成像领域有经验的博士后和资深的研究员。有些学者对理论和实验有着极为深刻的理解，讲课深入浅出，往往博得更热烈的掌声。尽管每个授课人的风格有差异，但他们的神情和言语中散发的对天文研究的热情时刻感染着学员们。不少授课人重视和听众的互动，有的会设置一些讨论题现场问答，有时还以糖果为奖品。最有趣的是，当悉尼大学的一位学者结束他的讲课内容时，他将最后的提问考核环节交给了他上小学的儿子。对着笔记本电脑上的问题，小考官向大家提问，谁答对了就扔过去一颗糖，可爱的表现萌翻了众人。给我留下深刻印象的还有学员们的活跃，在讲座中和讲课后的提问环节，总是会冒出各种问题，甚至发表评述。我想这和他们平时所受的强调独立思考、鼓励质疑的训练是分不开的。

射电望远镜的馈源，工程师正在讲解喇叭口上方盖子的作用

参观望远镜

下午的实践活动包括参观望远镜、学习如何制定观测计划、观测操作和数据处理四个环节。为我们讲解观测操作的是一位叫罗宾•瓦克（Robin Wark）的和蔼老太太。控制室在二楼，长长的桌子上一字排开六个大液晶屏幕，布满了监控和命令窗口。控制室窗外可以看到五个望远镜，第六号望远镜由于放在很远的轨道上，看不见。在一个半小时的讲解和问答中，有两位学员有机会练习操控望远镜。有一位学员注意到第五号望远镜并没有随其他望远镜一起运转，而是镜面朝上静止不动，她问罗宾为什么，罗宾让大家猜。我们都没猜对，罗宾说了一句：“我可不想弄死上面的人”。大伙恍然大悟，原来当时正有另一组学员在上面参观。其实罗宾是在开玩笑，望远镜上还有手动装置可以锁死镜面。天线阵列要比单个天线的观测系统复杂得多，据罗宾介绍，需要监测的参数就有近两千个。当有人问，风和电机驱动的不均匀性会不会影响望远镜指向精度？罗宾随即从一个屏幕上调出望远镜指向的监控界面。看着实时更新的指向偏移角曲线，我们很快就有了直观的定量化的认识。

望远镜上方的副反射面板

澳洲射电望远镜的自动化程度很高，包括澳大利亚致密天线阵（ATCA），已经实现了远程观测，也就是说，只要有互联网，在世界上的任何一个角落都可登录ATCA的远程控制界面，遥控望远镜进行天文观测。当然，前提是你申请的观测项目得到了望远镜时间分配委员会的批准，并且经过了观测培训。笔者访问的工作单位天文和空间科学研究部门（CASS），就有一个房间设有三台液晶监视器，专门用于ATCA的远程观测。

数据处理的练习是将一段真实的观测数据按照流程进行处理，在完成校准，去除干扰及其他效应后，最终形成图像或者光谱。软件是在Linux操作系统下运行，有详细的技术文档可供参考，并有专人现场指导。流程并不难，但是要判断结果的可靠性却要费功夫思考，需要尝试不同的方法进行检验。要成为这方面的行家，需要在一次次的纠错中积累经验，同时也要对原理和设备有足够的理解，并融会贯通。

我们这一组的参观安排在第四天的下午。由一位工程师带领我们组的五位学员登上一台望远镜，讲解构造和各个部件的作用。在第一层基座的房间里，可以看到密密麻麻、规则盘绕的电缆和驱动电机等设备。基座顶部室外的平台上装有液氦压缩机，主要的作用是制备零下269摄氏度的液氦并输送到上层的小房子里，用于冷却接收机，即接受天体电磁信号的装置，使其保持在超低温的工作环境下，以便降低电子器件自身的噪声电流。只有这样，才能保证望远镜对暗弱的天体的探测能力。这和光学望远镜的CCD需要制冷类似。在平台上，有一位学员欣喜地招呼大家，在她手指的方向，我们看到了成群的袋鼠。我跟工程师开玩笑说，看来这儿的袋鼠比人还多，工程师一笑，指着西边说，那儿还有更多。果然，用手遮住阳光，在西边更远的地方可以看到许多小黑点，有的正在移动，比我们前几天看到的零星几个要壮观得多。

在第二层的馈源室里，我们看到了制作精良的接收机，顶部是几个金色的形似喇叭的馈源，用于将反射面板反射下来的电磁波导入到后面的装置。接收机的下端封闭在液氦制冷的杜瓦瓶中，用于放大信号，然后导出到旁边的一个机柜，在那里进行数据采集，并传输到远处的相关机机房。从一个小门走出馈源室，就来到了天线面板上。22米直径的抛物面形天线看起来并不大，馈源室正位于它的中心。在天线的边缘，四根架子向上汇聚到顶端，支撑起一个凸起的反射面板。主天线反射的电磁波射到反射面板上向下传播，最终聚焦到馈源上。有趣的是，在反射面板中心有一个洞。当我问起它的作用时，工程师笑着说，几乎每一拨人都要问这个问题。我开玩笑说，因为天文教科书上没讲。原来，它的主要用途是安装激光器来辅助检测望远镜的指向。

最后我们参观了相关机机房，一个做了电磁屏蔽的有两道门的大房间。每一个望远镜接收下来的数据通过光纤传递到这个机房，因此这里的第一印象是密密麻麻、大大小小的电缆。进入第二道门，冷气扑面而来，穿着短袖T恤不禁感觉有点冷。这个房间一年四季都保持常温。映入眼帘的是一排排一人多高的机柜，各种设备运行的噪声交织在一起，必须提高嗓门才能听清别人说话。

天线阵的基本原理是要修正同一个天体的信号到达不同望远镜的时间差（由望远镜位置的差别造成），把不同望远镜的观测数据进行叠加，最终还原出天体的图像。望远镜两两一组，每一组被称为一个基线，澳大利亚致密天线阵（ATCA）的六面天线共形成十五个基线，各个基线的数据都被记录下来，用于后期数据处理。因此，机房里的核心设备就是完成这项任务的相关机。机柜上安装了许多14英寸笔记本电脑那么大的集成电路板。在机器的噪声中，工程师扯着嗓子为我们讲解各个部件的作用，忍不住咳嗽起来。

为了准确地记录时间，机房里配备了两部氢原子钟。这是目前地球上最准确的计时系统，可以达到100万年才差一秒的精度。澳大利亚致密天线阵（ATCA）也参与国际甚长基线干涉仪（VLBI）的观测，这是由全球几十部单口径射电望远镜和射电阵列组成的更大的阵列，可以提供目前最高空间分辨率的观测，比哈勃太空望远镜还要高几百倍。但是观测产生的数据量大得惊人，在机房里，我们看到了几十个装着磁盘的银色箱子，整齐地码放在一个柜子里，用于存储数据。大数据量给数据传递造成了一定的困难。传统的办法是各个台站将记录数据的磁盘寄到某个数据处理中心集中处理，比较费时。正在发展中的e-VLBI技术，旨在通过光纤将分布于全球各地的观测站联系起来，将数据直接传至数据中心处理，从而代替传统的磁盘记录与传输，以实现边观测、边传输、边处理的目的。

望远镜中央的馈源室

射电望远镜的相关机

参观结束后，离晚宴还有一段时间，我们有半个小时拍摄夕阳下的天线阵。这时望远镜正在调整方位，在嗡嗡的马达声中，几只袋鼠在一架望远镜旁注视着缓缓转动的钢铁家伙，完全无视我绕到它们背后拍照。

（责任编辑 张长喜）