綜合孔徑射電望遠鏡

　　由於衍射效應，光學望遠鏡的分辨本領受望遠鏡孔徑的限制，分辨率近似等於工作波長λ與孔徑D的比值。射電天文使用的無線電波波長比光學望遠鏡使用的要長1萬倍至1億倍，如要得到同樣的分辨率，射電望遠鏡的天線孔徑就要比光學望遠鏡的口徑大同樣的倍數。現在世界上最大的全可轉射電望遠鏡的孔徑也僅比最原始的光學望遠鏡的口徑大幾千倍，離上述要求甚遠。另外，光學方法能夠比較容易地成像；而對無線電方法來說，由於接收技術的關系，不能像照相底片那樣一下子照出相片來，而必須把射電望遠鏡的方向束對所研究的天區一點一點地順序掃描。

　　二十世紀上半葉，結晶學傢探討瞭一種理論，可用間接方法獲得圖像。五十年代初，英國劍橋大學卡文迪許實驗室的射電天文學傢賴爾等人，把這種理論發展成射電天文中的綜合孔徑技術。我們知道，任何一幅圖像都可以分解成許多亮度分佈的正弦和餘弦成分；反之，如果知道瞭這些正弦和餘弦成分，就可以合成原來的圖像。綜合孔徑望遠鏡就是利用這種原理工作的。實際的做法如圖2所示，為瞭代替圖1中的大天線構成的望遠鏡，可以使用兩面小天線：A為參考天線固定不動，B可以移動。把兩面天線的信號接到一處，形成雙天線射電幹涉儀，記錄下它們的相關信息，從這種相關輸出的振幅和相位中就可得到亮度分佈的正、餘弦成分。這樣，把天線B逐次放到大圓面的各個位置上（實際上隻要放在半個大圓面的各個位置上就已足夠，因為圖中AB'的觀測結果，可以很容易地從AB的結果推出）。重復上述測量，就可以得到這個大圓“取樣面”上所有方向和距離上的相關信號的振幅和相位的一組數據。對這組數據進行傅裡葉變換的數學處理，便得到被觀測天區的射電天圖。被觀測天區的范圍，取決於各單面天線的視場（由單面天線的波束寬度決定），而分辨率則取決於取樣大圓面的直徑。用兩面小天線綜合出一張圖所花費的時間太多，技術上也存在一定的困難（如相位校準）。實際上大部分觀測都采用多天線系統。例如，澳大利亞悉尼的射電天文學傢最近創造出用60餘面天線同時觀測的綜合系統。他們使用多天線排列，兩兩相關，同時得到大量信息，半天就能獲得一張圖像。

　　設想我們從天上北極星的位置看地球上東西排列的天線陣，隨著地球自轉，它剛好一晝夜掃過一個圓。就是說地面上固定不動的天線陣，利用地球自轉也能獲得一個圓面上許多天線的觀測效果。這種方法稱為地球自轉綜合。它的優點是在綜合觀測中不需要天線佈滿圓面或在圓面上移動天線。它的缺點是，單就天線陣而言，對天空中不同方向上射電源的觀測效果不一樣。例如，上述東西排列的天線陣，在天赤道上看來，在地球自轉過程中隻有長度的變化，構不成一個平面。為克服這個缺點，可同時在幾個方向上排列天線。目前大部分綜合孔徑望遠鏡系統，除固定的天線外，一般有一兩個或一系列可動的天線，以排列所需要的天線陣。這種既改變排列距離、又作地球自轉綜合的雙重綜合，在時稱為超綜合。

　　現在世界上的大中型綜合孔徑射電望遠鏡，一部分是由其他型式的幹涉儀改成綜合孔徑。許多大天線配合一些小天線，兼作綜合工作，或者由遠處各地的數面大天線構成甚長基線幹涉儀，作一些粗略的綜合工作。正在建造中的最大的綜合孔徑射電望遠鏡是美國國立射電天文臺的甚大天線陣(VLA)，由27面直徑25米的天線組成，Y形排列，每臂長21公裡，厘米波段最高分辨率可達角秒量級，與地面上光學望遠鏡的實際分辨率相當，成像時間為8小時。