央斯基與射電波

◎文圖 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái) 郭紅鋒

前面我們講到了一系列天文望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展故事，都是指觀察可見(jiàn)光的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。但宇宙輻射來(lái)的可見(jiàn)光線只占輻射頻率極窄的一部分（400納米至700納米），很多其他波段的輻射被地球表面的大氣屏蔽了，不能到達(dá)地面。不過(guò)，這是對(duì)地球生物的一種保護(hù)，因?yàn)樵S多輻射（例如紫外線，X射線等）對(duì)生命體是有害的。你知道嗎？有一種輻射不但對(duì)生命無(wú)害，還能讓我們探測(cè)到宇宙發(fā)射來(lái)的更多信息，那就是無(wú)線電波（或稱射電波）。

圖1

神秘的宇宙電波

人類最早用振蕩電路制造出一類電波，通過(guò)天線把電波發(fā)射到空中，傳播到遠(yuǎn)方。遠(yuǎn)方的接收器可以通過(guò)天線和調(diào)制到同頻率的電路，接收到這些電波，從而建立起“無(wú)線電”通訊聯(lián)系。后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)宇宙中也存在這一類自然輻射的電波。

最早發(fā)現(xiàn)并辨識(shí)出宇宙輻射來(lái)的無(wú)線電波的人是美國(guó)貝爾電話公司工程師央斯基。他在20世紀(jì)30年代研究無(wú)線電短波通訊時(shí)，用他的接收天線無(wú)意間接收到一種奇怪的電波，這種電波每天重復(fù)出現(xiàn)，但周期不是我們生活中使用的太陽(yáng)時(shí)間，而是與恒星出沒(méi)一致的恒星時(shí)間。后來(lái)，他知道那是來(lái)自銀河系中心的電磁輻射（無(wú)線電波段的信號(hào)）。這是人類第一次接收到來(lái)自宇宙空間的無(wú)線電波，從此開(kāi)啟了一門全新的天文學(xué)研究領(lǐng)域——射電天文學(xué)。

圖2 央斯基和他的射電天線

射電望遠(yuǎn)鏡

光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的感光單元是對(duì)光學(xué)波段敏感的眼鏡、底片或現(xiàn)代的CCD探測(cè)器件。射電望遠(yuǎn)鏡接收的是天體輻射來(lái)的無(wú)線電波，眼鏡和光學(xué)器件是感受不到的，但使用對(duì)無(wú)線電波敏感的探測(cè)器，就可以獲得宇宙天體輻射來(lái)的無(wú)線電波段信息（強(qiáng)弱、方向、范圍等）。所以，從原理上說(shuō)，天文望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)都差不多，只是接收不同波段的信息需要不同的探測(cè)器。

經(jīng)典射電望遠(yuǎn)鏡的基本原理與光學(xué)反射式望遠(yuǎn)鏡相似，一般用反射面接收宇宙輻射來(lái)的無(wú)線電波，接收器（又稱饋源）安裝在主焦點(diǎn)處，就可以接收到匯聚來(lái)（增強(qiáng)了）的信號(hào)。

圖3 射電望遠(yuǎn)鏡（來(lái)自美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)）

射電天文發(fā)展

隨著射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展，其外形也出現(xiàn)了一些變化。例如，反射面和饋源固定在一起，可以全方位轉(zhuǎn)動(dòng)的全轉(zhuǎn)動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡；主反射面固定而饋源移動(dòng)的單一口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡；還有多個(gè)小射電望遠(yuǎn)鏡排成一定形狀組成的陣列式射電望遠(yuǎn)鏡等。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，英國(guó)率先建立了用于天文觀測(cè)的射電天文望遠(yuǎn)鏡。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)于1946年建造了直徑為66.5米的固定式拋物面射電望遠(yuǎn)鏡，1955年又建成了當(dāng)時(shí)世界上最大的可轉(zhuǎn)動(dòng)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡。

1963年，美國(guó)建造了當(dāng)時(shí)最大的單孔徑固定式射電望遠(yuǎn)鏡（阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，直徑305米），安裝在位于美國(guó)波多黎各島上的一座天然火山口（阿雷西沃山谷）當(dāng)中，其口徑雄踞世界之首50多年，直到2016年才被中國(guó)建設(shè)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡超越。

圖4 阿雷西博望遠(yuǎn)鏡

圖5 德國(guó)埃菲爾斯伯格射電望遠(yuǎn)鏡

1972年，聯(lián)邦德國(guó)建造了當(dāng)時(shí)世界上最大的全方向可轉(zhuǎn)動(dòng)單天線射電望遠(yuǎn)鏡（埃菲爾斯伯格射電望遠(yuǎn)鏡，直徑102米）。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)波段很寬，從90厘米到3毫米，其靈敏度和分辨率都很高，率先在毫米波段觀測(cè)到脈沖星的輻射，并且在射電星系、活動(dòng)星系核、星際分子等方面的觀測(cè)中也有很多成果。

2000年，美國(guó)建造并投入使用了新一代全方向可轉(zhuǎn)動(dòng)的射電望遠(yuǎn)鏡（綠岸望遠(yuǎn)鏡，100x110米蝶形天線），是目前世界上最大的全向可轉(zhuǎn)動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡，因安裝在美國(guó)西弗吉尼亞綠岸山區(qū)而得名。其天線為100x110米碟形，由2000多塊鋁制面板鑲嵌而成，每秒鐘所獲數(shù)據(jù)量近1G字節(jié)，主要用于宇宙寬頻帶的原子和分子光譜以及河外星系的研究。它被譽(yù)為先進(jìn)的外星信號(hào)“發(fā)現(xiàn)者”，也是寄希望于它能接收到并甄別出地外高等智慧生物所發(fā)出來(lái)的無(wú)線電信號(hào)。

射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展同樣經(jīng)歷了口徑不斷擴(kuò)大、分辨率和靈敏度不斷提高的過(guò)程。射電天文學(xué)誕生較晚，但借助于近現(xiàn)代高科技的應(yīng)用，發(fā)展非常迅猛。今天，我們既有口徑大到幾百米的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，又有相對(duì)口徑（又稱等效口徑或基線，指望遠(yuǎn)鏡之間的距離）達(dá)數(shù)千千米的射電望遠(yuǎn)鏡陣。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人類使用這些大規(guī)模的射電望遠(yuǎn)鏡裝置能夠觀測(cè)到更深、更遠(yuǎn)的宇宙信息，了解到更多、更豐富的宇宙運(yùn)行機(jī)制和演化規(guī)律。

圖6 美國(guó)綠岸望遠(yuǎn)鏡