一、天体测量学

建立和维持高精度的天球参考系，对天文学、大地测量学、地球物理学以及深空探测等均具有重要意义。目前的国际天球参考架（ICRF）包含717颗河外射电源，其中定义和维持ICRF定向的源为212颗。上述717颗源的观测频度、观测时段和数据量等等，都是极其不均匀的。大约有68%的源仅具有1至3次的测量，而观测资料的年度分布也是极其不均匀的，它们的精度也不够高。因此，需要对上述致密射电源进行长期的VLBI测量，提高它们的位置精度和检测它们的稳定性。特别是对于上述参考源的稳定性检测，即它们的精细射电结构的成图，需要高灵敏度的大口径天线。

目前，717颗的ICRF源在天球上每100平方度仅平均1-2颗源，不能满足应用的需要，特别是深空探测。深空探测器的精确定位通常是以致密射电源为参考的，特别是需要在黄道附近的致密射电源。在进行高精度测量时，需要在探测器的近旁5度以内有参考源。所以增加天球参考系的射电源密度的关键之一是需要有大口径射电望远镜，以观测更弱的致密射电源。假设：两台射电望远镜（或两个VLBI网）的灵敏度的比值为：L，可观测的射电源数量的比值为：K。一般来说，它们的数学关系式为：K=L3/2。例如：L=2，则：K=2.8。假设：上海25米-乌鲁木齐25米基线进行VLBI测量，可以观测到射电源为700颗，上海改用65米天线后，该基线的灵敏度为原来的2.6倍，则可观测的射电源近3000颗，可以大大提高天球参考系的密度。

天球参考系是以河外致密射电源的位置定义的。但是，有很多情况下需要利用光学恒星作为参考目标来定位，所以射电参考系与光学参考系的连接也是一个重要研究课题。射电星（可以检测到射电辐射的光学恒星）是建立射电与光学参考系连接的重要天体。但是射电星的射电流量密度一般非常小，比参考源的流量密度一般要小1-2个数量级，需要大口径天线才有可能被探测到。而且随着灵敏度的显著改善，对射电星相对于深空背景的高精度位置测量将会是探索其中可能存在行星系统一个有效手段。

另外，天球参考系与行星动力学参考系的连接对于深空探测尤为重要。例如：行星轨道器常常是以行星动力学参考系来描述它的运动，但是我们的地面测轨数据常常是以天球参考系定义的，所以必需测定两种参考系之间的转换参数。用VLBI方法观测参考射电源和行星轨道器，可以精确测量其转换参数。显见，利用65米天线及其他国内射电望远镜联合开展VLBI测量，对于天球参考系的建立、加密和维持，以及不同参考系的连接等重大课题将做出突出贡献。

三、天体物理学

上海65米天线将作为VLBI阵的一个强大单元，增强高分辨率成图的动态范围。在中国VLBI网及其所参与的国际合作中将发挥很大的作用，如前所述，作为欧洲VLBI网的正式成员，上海65米天线将极大地提高EVN高分辨率成图观测的动态范围；作为与日、韩合作的东亚VLBI网中口径最大的天线而起到主导作用；领导中俄厘米波VLBI网等。从国际VLBI研究现状及我国自身VLBI研究的实力来分析，在我们现有的中国VLBI网的基础上，通过联合亚太地区的VLBI天线，我们完全有能力开展一流的观测研究课题，并籍此培养年轻的科学家团队，在国际竞争中赢得一席之地。

1.VLBI偏振观测研究

多频多历元高分辨率的VLBI偏振观测可以揭示出同步辐射源的磁场结构及其变化，利用法拉第旋转揭示辐射源的一些环境信息如电子数密度、空间磁场位形等。活动星系核因其有较强的射电同步辐射而成为VLBI偏振观测最主要对象之一。其喷流的形成、加速和准直过程的物理机制以及磁场在星系核的活动性中起的作用，至今还未能达成一致，主流模型认为螺旋磁场主导了喷流的加速和准直过程，因此对螺旋磁场存在的证认将会十分关键。目前对秒差距尺度上的磁场可能与中央黑洞的自转有关还存有争议，只有随着磁场观测证据的不断积累，才会逐步揭开这个谜底。

星系团磁场性质可通过射电晕和射电遗迹的偏振观测进行研究，尺度一般为百万秒差距量级。但它们的射电辐射比较弥散，目前还主要是借助于综合孔径观测，因此也还局限在大尺度结构上。但正如活动星系核的射电观测也是从大尺度过渡到小尺度的观测一样，有理由相信未来也能用VLBI偏振观测对其进行研究，65米新天线也将在这类观测研究中起作用。对脉泽源的偏振观测能够部分揭示目标源或背景源的磁场强度和位形。相较于脉泽的总强度研究，其偏振VLBI观测还非常有限，随着仪器灵敏度和分辨率的不断改善，人们将有可能加深对脉泽的偏振起源的认识。对伽马射线爆、超新星余辉等均有总强度的VLBI观测，并未发现有偏振方面的报导，由于射电辐射多为同步辐射，期望随着仪器性能的改善，能够进行偏振方面的研究。中子星的子类SGR爆发会形成星云，VLA观测到SGR 1806-20爆发的星云形成过程，要形成这样的星云，需要强磁场和相对论性电子，其偏振特性将会非常另人期待。

2.银河系脉泽源和河外星系超脉泽源

脉泽源的VLBI观测可以广泛地用来研究恒星形成区的物理特性，晩型星的质量损失和脉泽抽运放大机制等，还可以在天文研究中关于宇宙尺度测量这一基础研究课题作出显著贡献。对银河系内的脉泽源（如：水分子脉泽源和甲醇脉泽源）进行VLBI观测，高精度地测定脉泽源各个子源的位置和自行，用视差原理，可以高精度地直接测定银河系内天体的距离，这对研究我们银河系的结构和演化、暗物质的分布等有着决定性的意义。这些高精度测量需要大口径天线。对于河外星系的距离测量，需要使用在河外星系中的超脉泽源，因其距离更远，流量密度更低，更需要大口径的天线才能有效地开展高精度的VLBI测量。利用河外超脉泽精确测定河外星系的距离，将可以测定宇宙学距离，并由此提供一个对哈勃常数的独立测量，其重要意义不言而喻。

3.分子谱线的搜巡

可以工作到7毫米的65米新天线除了发挥毫米波VLBI高分辨率成图和测量的优势外，还可以作为独立单元，用于大量的单天线天文观测研究。与现有的25米口径望远镜相比，新65米天线的分辨率和灵敏度都将大大提高，规划的频率范围覆盖了许多重要的天文谱线（如，羟基、甲醇、水和一氧化硅等，参见表3-4）。这些天文谱线的观测特征直接反映了发射区域的物理性质如温度、密度等，包含了丰富的动力学如膨胀、塌缩等信息。一些发射线处在恒星形成区以及喷射外流的特定区域，成为指示恒星形成和演化的路标。

射电天文谱线观测是研究广泛存在于星际空间和星周附近的分子的主要手段。上海65米新天线可以研究的河内外重要分子谱线见表3-4。高灵敏度的单天线谱线观测还有助于发现新的分子谱线。银河系内的星际介质主要以分子气体形式存在，因此对这些分子气体的谱线观测是研究银河系星际介质，及银河系结构的重要手段。通过对某些分子谱线的观测可以测定分子气体的运动学温度及密度等物理参量，我们称其为示踪分子。选择合适的示踪分子可以测定分子云不同区域的温度及密度。氨分子（NH3）是星际空间中发现的第一个多原子分子。由于它在谱线物理上的诸多性质（如：分子内部的反演运动，分子能级上的亚稳态、非亚稳态和精细结构、超精细结构等）以及丰富的谱线跃迁，使它引起了天体物理方面的浓厚兴趣，成为仅次于H2和CO的又一个极其重要的天文分子。通过测得非常接近频率上的多条NH3分子的反演谱线，可以确定分子云密度及温度等物理条件，因此NH3分子被认为是测定分子云致密区域温度及密度的有力工具。凭借其大口径、高探测灵敏度、较高分辨率（在23GHz约50角秒）等特点，上海65米望远镜有能力开展银河系氨分子巡天，在对氨分子的搜寻及成图观测等方面都将有很大的优势。此外，可以通过多历元的多条跃迁频率上（如7毫米附近的多条跃迁谱线）的SiO脉泽辐射的同时观测，检测各条脉泽线的流量变化，并测定它们流量达到各自峰值时，各条脉泽线间是否存在延迟现象，从而可以判断SiO脉泽碰撞或辐射抽运机制。

4.具有宇宙学红移的CO观测

对高红移天体的多波段观测表明在红移4和5时已有星系级的天体存在了，新天线对这些宇宙学红移的CO观测（如，处于红移1至5范围内的CO（1－0）的频率覆盖在20至50GHz间），将与在贵州建设中的500米口径球面望远镜（FAST）在低频端对高红移中性氢（HI）21厘米的观测形成有效互补，研究高红移类星体（星暴星系）与最早期的大质量氢云成团性，揭示黑洞的产生与大质量氢云的相互关系，共同揭示宇宙早期的演化，目前世界上对高红移低跃迁的J=1-0, 2-1, 3-2等CO谱线观测主要是由VLA，Green Bank 110米和Bonn的100米天线在7毫米或1.3厘米接收频段获得的。

5.射电星及变源

新天线将以其高灵敏度在对恒星射电信号的检测中发挥其它中小型天线无法取代的作用，可触及的研究目标包括X射线双星、超新星及新星壳层等。而射电天文中的深度普查和新发现与大口径射电望远镜的关系特别密切，如现今知道的毫秒脉冲星与脉冲双星就是例证。单天线模式的常规谱线和连续谱巡天与变源监测，可以发现一些稀少天体，并为源的多波段联合证认服务。

三、行星无线电科学研究

行星探测无线电科学(Planetary Radio Science)是一门伴随着人类对月球和太阳系行星的航天探测产生和发展起来的综合应用学科。通过测量深空探测器下行信号的各项参数（如：频率、强度、延迟及偏振等）的变化，进行行星际无线电科学研究，是重要的空间科学研究内容。它的主要研究内容有：测定引力常数、探测大行星大气环境、探测日冕和太阳风、探测彗星结构、探测行星类天体的重力场及其异常、探测引力波扰动以检验引力理论等。例如：在行星轨道器被行星遮掩的过程中，当行星轨道器的下行信号穿过行星大气层时，信号的强度、频率等会发生微小变化，也会发生折射现象，观测这些变化，就可以来研究行星大气密度等有关信息。由于其变化量十分微小，所以必需使用大口径天线才能得到有价值的科学结果。

几乎所有的对行星的环绕探测任务都安排了该项任务，我国在积极推进月球和火星探测。其中的行星无线电科学研究只有在大型射电接收设备的支持下，才有机会发展。65米新天线将与国际相关机构（如，ESA、JIVE、JAXA和NAOJ）开展合作，进行行星无线电观测试验。如参与PLANET-C的观测，参与Bepi-Colombo水星探测计划的无线电科学观测研究，以及通过对VEX、MEX、ROSETTA掩星开展观测，积累经验。65米天线还将进一步推进对嫦娥探月项目的重力异常探测，和萤火1号火星重力和掩星观测，在我国开创这一崭新学科的研究与发展，对深空探测提出独特的科学需求，并全面推进这一学科的发展。