仰望星空，看科学家如何探秘“宇宙低语”

仰望星空，近百年来射电天文学的发展及射电望远镜的发明使用，重构了人类对宇宙的理解，延伸了人类的“宇宙之眼”，使深空探索从哲学思辨迈向实证科学。而今，大口径射电望远镜仍在拓展人类认知边疆，持续追问着宇宙的起源与边际。

接收机，作为射电望远镜核心零部件之一，在射电望远镜发挥其非凡作用的过程中扮演着举足轻重的角色。它像一位精通多国语言的翻译官，在电磁波的汪洋大海中，精准打捞所我们需的信号，再翻译成能看懂的文字、听到的声音。接收机的这种“信号翻译”的能力，不仅能服务于日常生活，也是探索宇宙的关键所在。今天，就让我们一起来了解射电望远镜中的接收机吧！

南山26米射电望远镜接收机：高能破解宇宙“密语”

中国科学院新疆天文台南山观测站的26米射电望远镜，其外形似大锅，但如果你认为这就是它的全部构造，那就大错特错了。“大锅”只是望远镜的一部分，相当于手机的摄像头，仅负责汇聚电磁波；但要把汇聚起来的电磁波进一步传输到电脑终端，变成科学家可以直接分析的信号，便离不开焦平面处放置的接收机。

南山26米射电望远镜

（图片来源：中国科学院新疆天文台）

接收机一般由喇叭馈源、正交模耦合器、低噪声放大器、滤波器、混频器等器件组成，目的是将原始的射电信号放大、滤波及变频至中频信号后，传输至数字终端记录，再由科研人员进行后处理。

这一过程可类比为：站在离演唱会舞台800米远的位置，用手机清晰地录制歌手的声音。首先需要用高灵敏度的麦克风增强歌声音量（放大），然后开启麦克风“人声增强”功能，过滤掉风声、车鸣等干扰（滤波），再将原始歌声降至适合手机处理的音调（变频），最后将降调后的歌声保存、修复，生成高清音频（后处理）。

望远镜焦平面接收到的信号纷繁复杂，包含卫星通信、移动通讯、广播电视等诸多干扰信号，但对于接收机来说，它能将这些信号处理得游刃有余——高能拆解宇宙众多“信号包裹”，取出其中有价值的“数据礼物”。

自1993年底建成投入使用以来，南山26米射电望远镜已经分类拆解了宇宙中各式各样的“信号包裹”，而要真正读懂这些跨越光年的宇宙信号，接收机是关键之一。作为南山望远镜的专属“信号解码中心”，中国科学院新疆天文台微波接收机实验室于2011年自主研制的1.3厘米波段双极化制冷接收机，为中国科学院新疆天文台在分子谱线、活动星系核和VLBI观测领域的研究提供了有力支撑，助力取得多项重要突破及成果。此外，26米射电望远镜的建成使用，使得中国科学院新疆天文台成为我国脉冲星实测领域最早的观测基地，为中国脉冲星研究打造了重要“数据库”。

新疆天文台南山观测站26米射电望远镜配备的1.3cm波段（22-24.2GHz）制冷接收机

（图片来源：中国科学院新疆天文台）

接收机技术：射电望远镜探测灵敏度的决定因素之一

射电望远镜系统的探测灵敏度不仅与反射面的口径有关，还与接收机密切相关。灵敏度，即射电望远镜可观测信号强弱的能力，它决定了人类能“听”到多远的宇宙低语。接收机是电子版的“狗鼻子”，灵敏度堪比警犬，能在嘈杂纷乱的电磁环境里，嗅出藏得最深的那颗目标天体“肉骨头”。

在射电天文领域，科研人员通常用噪声温度来等效表示接收机的灵敏度，其数值直接反映了接收系统自身的噪声量级，数值越低表明接收机灵敏度就越高，越能探测到更暗弱的信号。

位于智利阿塔卡马沙漠的ALMA望远镜，为了在毫米波/亚毫米波频段提高其灵敏度，采用液氮冷却的接收机，使得接收机噪声温度控制在10K（1K约等于-272.15℃）左右，以抵消高天空背景噪声的影响，与常温接收机（50K）对比，其灵敏度提高了30%以上，这也是其能探测到原行星盘等弱信号的关键因素之一。

接收机家族大比拼：三种“信号捕手”的江湖绝技

除灵敏度外，接收机还有另一个重要的性能参数——视场大小。更广阔的望远镜视场意味着观测效率的大幅提升，使得大面积巡天更加有效。现阶段世界上著名射电望远镜，以能实现的观测视场为划分标准，可将接收机分为单波束接收机、多波束接收机和相控阵接收机三类。它们各自都有哪些核心能力呢？别急，下面为大家一一揭晓。

1.单波束接收机：像狙击手瞄准目标，一次只能锁定一个方向的目标（一片天区）。其优点是结构简单、成本低；但受限于其狭小的覆盖面，想要观察临近天区新目标，必须调转望远镜的观测方向，在同时接收多个天区方向信号方面优势不明显；

2.多波束接收机：能同时伸出N条“电子触手”（波束），监听邻近的多个天区。其优点是等效于多个单波束接收机合而为一，大幅提升了观测效率。但多个馈源之间的物理间隔使得最终观测的多片天区并不连续，且波形固定、灵活性有限。此外，由于体积限制，接收机装配波束数量存在上限，若同时接收波束太多，会使得信号处理器的处理压力剧增；

3.相控阵接收机：通过上百个微型天线单元协同工作，利用波束形成算法，使得合成的多个波束紧密相连，以实现邻近多片天区连续的视场覆盖，进一步提升观测效率；同时，可以动态调整望远镜各个波束，以实现反射面面型修正、抗干扰等功能。

它如同一位技艺超群的指挥家，精准掌控着由数百个天线组成的交响乐团。每个天线都是一个乐手，既能整齐划一地演奏（聚焦观测），捕捉脉冲星等深邃宇宙的独奏；也能各司其职地即兴合奏（宽视场巡天），搜寻快速射电暴等转瞬即逝的宇宙强音。

不过，相控阵接收机虽展现出强大的技术优势，但仍有一定局限性——目前技术上可以实现的相控阵接收机应用在0.7-1.8GHz频段，难以实现对其他频段信号的有效处理。

总之，不同类型的接收机有着独有的特性，均在射电望远镜的观测中发挥着举足轻重的作用。随着科技的不断发展，接收机的性能将得到进一步提高，以满足人类日益增长的观测需求。

从左至右：单波束接收机、多波束接收机和相控阵接收机及模拟其单次拍摄到的实物对比

（图片来源：中国科学院新疆天文台）

展望未来——接收机助力人类倾听更精细的宇宙“声音”

射电望远镜接收机技术日新月异，其灵敏度、带宽和视场的持续突破，不仅能有效提升观测效率，还将为大尺度巡天、中性氢成图、快速射电暴搜寻等科学目标的实现提供重要支撑。

未来，随着相控阵接收机及超宽带接收机在大型射电望远镜上的广泛应用，人类将有望倾听更精细的宇宙“声音”，为探索宇宙起源、地外生命等科学命题提供不可替代的观测基石。

出品：科普中国

作者：王凯云朝昂（中国科学院新疆天文台）

监制：中国科普博览