秦岭深处VLBI长基线条纹有何重要意义？

6月22日当日，位于陕西洛南县北斗村（蒿坪村）的中科院国家授时中心40米射电望远镜成功获得VLBI长基线条纹。这个条纹什么来头？科学家花这么大力气难道是因为这个条纹长得好看？

我们为什么要做VLBI？

VLBI中文全称是“甚长基线干涉测量技术”或者“甚长基线干涉测量仪”，前一种叫法对应的是一种测量技术，后一种叫法对应的是仪器设备。

VLBI是目前天文学中角分辨率最高的观测手段之一，可以达到亚毫角秒级的角分辨率。为了将远离地球的人造飞行器看得清，在我国的月球（“嫦娥”）、火星探测（“天问”）任务中，都用到了VLBI技术，未来我们走向星辰大海，VLBI应该还会继续承担重任。

也正是得益于VLBI在角分辨率上的高强本领，科学家成功地直接对黑洞进行了成像（“拍照”）。洛南40米射电望远镜在上海-洛南、乌鲁木齐-洛南两条基线上均成功获得VLBI长基线条纹，表明该射电望远镜已经具备开展VLBI观测能力，后续将成为国内参加VLBI观测任务、开展脉冲星等天体的高精度位置测量、参与深空探测任务的重要环节。

人类拍摄的第一张黑洞“照片”、银河系中心黑洞“照片”合体对比（图片来源：eso）

另外，国家授时中心作为我国唯一、专业、全面从事时间频率科学研究的机构，脉冲星时间基准是单位的重要研究方向之一。目前，国家授时中心正基于该射电望远镜开展脉冲星计时观测， 而VLBI可以把脉冲星的位置测的非常之准。

通过参加VLBI联合观测，可以对洛南40米射电望远镜的站坐标进行更精确的测定，同时对整个系统的性能（多项指标和参数）进行深入测量，相当于是对整个系统进行高端“体检”，有助于提升洛南40米射电望远镜的整体性能，进而大大提升脉冲星计时观测的性能。这样说来，参加VLBI真的是利人利己，岂不美哉？

洛南40米天线（图片来源：作者拍摄）

VLBI这么厉害，它究竟长什么样呢？

孤木不成林，单独一台射电望远镜是不能VLBI的。一般来说，VLBI是两台或者多台射电望远镜，对同一目标源、在同一频率上、同时进行观测。下面是一张早期的VLBI系统介绍图，来自NASA。

VLBI系统示意图（图片来源：NASA）

如何对着这张宝藏图按图索骥呢？宇宙遥远的天体（这张图上是类星体Quasar）发射的无线电信号，在天体附近的时候是球面波，就像往池塘里扔石子产生的涟漪一样，是一圈一圈圆形的，但是随着距离的增加，传播到地球的时候，圈圈圆圆圈圈已经看不出来了，不再是球面波，而是被看作平面波，也就是球面波的圆形被烫平了。

上文说过，VLBI是由一组天线同时对同一个目标源进行的同频观测，这些天线就组成了一个VLBI网。对于一个VLBI网来说，很重要的一个特性就是它的uv覆盖，uv覆盖的英文叫uv coverge，三两句话说不清楚，估计三千句话也不容易说清楚，所以我们在这里就不说了，直接给大家看uv覆盖长什么样。

不同情况下欧洲VLBI网的uv覆盖图（图片来源：EVN）

左图是欧洲VLBI网的一个uv覆盖的图，看着是不是像一堆蜘蛛网？横轴是u，纵轴是v，合起来就是uv。u和v的单位都是千米（km），图中左边的黄字是得到这个uv覆盖所用到的天线。现在我们再来看一张右图，蜘蛛网上u和v的取值范围一下子变大了，这个变化主要是我们国家上海和乌鲁木齐两个VLBI台站加进来所做的贡献。

是的，加上我们的两个站之后，uv覆盖明显多了一环。那么这些环有什么讲究呢？中国功夫讲究个刚柔并济，一寸长一寸强一寸短一寸险，uv覆盖也一样，在uv覆盖上不仅要有大圈，也要有小圈，分别对应的是长基线和短基线，这就要求VLBI网里面天线的分布，最好是远近的距离都有。

秦岭深处的VLBI将会给我们带来什么？

目前，中国VLBI网（CVN）由四个站构成：上海、北京、昆明和乌鲁木齐。CVN四个站六条基线，基本上都是长基线，而且这个阵的中间空着。

国家授时中心洛南40米射电望远镜位于陕西秦岭山区，从地理位置上来说靠近大陆版图的地理中心，可以丰富和改善CVN的uv覆盖。被奥数虐过的小朋友可能还记得排列和组合，四个站六条基线，这是个组合问题，洛南站加入后，就变成五个站10条基线啦！当然，如果未来再加上FAST，等等，画面太美我不敢想象。

出品：科普中国

制作：罗近涛（中国科学院国家授时中心）

监制：中国科普博览

中国科普博览是中科院科普云平台，由中科院计算机网络信息中心主办，依托中科院高端科学资源，致力于传播前沿科学知识，提供趣味科教服务。