收到很多光,也可能只看见一团
1960 年,剑桥的 Martin Ryle 和 Antony Hewish 写下一种造大射电望远镜的办法:不用把整个接收面积铺满金属,而让两台天线先后占据不同位置,把各次记录交给计算机组合。它要解决的麻烦很具体。天空里有些射电源很亮,天文学家却看不清它们长什么样。
无线电波的波长比可见光长得多。同样大小的开口,会把它摊成更宽的模糊光斑。接收机更灵敏,能找到更暗的天体;可两个亮源若挤在同一团光斑里,灵敏度再高也难分开。要看清结构,还得增大望远镜的有效开口。
Ryle 想知道,这个大开口究竟有多少必须同时建出来。只要能准确比较到达不同天线的波,分几天取得的信息,也有机会合到一起。
两台天线先量出一种天空图案
想象远处天体送来一排排近乎平行的波峰。波峰先到一台天线,稍后才到另一台。相差多久,取决于天体方向和天线间距。把这段延迟补上,两台接收机便能比较同一段到达的波。
连接两台天线的间距叫基线。电子线路把两路电压相乘,再取平均,留下它们共同收到的信号。这种比较叫相关;若保留共有信号的强弱和相对节拍,就得到干涉可见度。
两个方向不同的光源,带来不同延迟,相关时可能相互加强,也可能部分抵消。长基线对更细的角结构敏感,短基线更擅长宽阔结构;把基线转个方向,响应的图案也跟着转。一次测量,就这样提供一小块关于天空明暗分布的信息。
例如两个源在天空里左右并排,沿着它们连线方向的基线,往往比另一个方向更容易分开它们。再补一个方向,就能取得第一次漏掉的信息。波长相同,投影基线增大一倍,敏感的角尺度大致就减半。
一对天线固定在同一间距,已经可以量某些简单目标的大小。若想画出任意形状,还要收集不同间距、不同方向的许多信息。
地球自转替天线换了观察角度
天线不必绕着天体转。地球自己在转,固定基线从天体那里看过去,投影方向和长度会不断变化。跟踪同一目标数小时,便能沿着一条曲线取得不同基线;隔天移动一台天线,又能补上一条。
一英里望远镜把地球自转与可调间距结合起来。Elsmore、Kenderdine 和 Ryle 在 1966 年论文中描述了这台仪器:它合成出直径一英里的孔径。在四百零八兆赫兹,波束约八十角秒;在一千四百零七兆赫兹,约二十三角秒,后者只有一度的一百五十分之一左右。
合成孔径的直径描述分辨本领。实际收到多少辐射,仍由真正建在地上的天线面积决定。天线离得很远,可以看清很细的结构;若目标又暗又铺得很开,仍需要足够的接收面积和观测时间。
把几天的数据合成,要求目标在这段时间内足够稳定,也要求电子线路能稳住相对节拍。线路多出的一点延迟,可能被误读成天体换了方向,校准便成了成像的一部分。
在一英里望远镜之前,合成方法已经用于巡天。1961 年,Scott、Ryle 和 Hewish 发表四条天区的结果,观测波长为一点七米。论文把采集、校准和数值处理放在一起讲;计算本身就是这台望远镜的工作环节。
图像也保留着采样的痕迹
把这些相关量变回小片天空图像,数学上用的是傅里叶变换。它把不同间距、不同方向的明暗波纹叠起来,拼出紧挨的两个源,也能拼出延展的射电瓣。
实际阵列只量了部分基线。初步图像里,一个小源周围常带着一圈圈旁瓣,那是采样方式留下的响应。天文学家需要知道阵列怎样响应,再估计真正的天空。很宽阔的辐射还需要足够短的基线,或单天线的补充观测。
最长基线因而只是成像仪器的一项本领。两台离得很远的天线,可以对一个方向上的细节很敏感;不同间距分布得当,才能补足更多图像信息。
1974 年,诺奖特别表彰 Ryle 的孔径合成工作,并表彰 Hewish 在发现脉冲星中的作用。射电源逐渐有了可辨的形状,天文学家也就能把它们同可见光图像和星系物理联系起来。