射電天文學(xué)異軍突起

□ 夢(mèng) 天

天文觀測(cè)的三次變革

人類的天文觀測(cè)經(jīng)歷了三次革命性的變革。第一次變革是從肉眼觀星進(jìn)入到利用光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體，它以17世紀(jì)初意大利科學(xué)家伽利略發(fā)明天文望遠(yuǎn)鏡為標(biāo)志。第二次變革是從人類只能觀測(cè)天體的可見(jiàn)光進(jìn)入到接收天體的無(wú)線電波，它以20世紀(jì)30年代射電望遠(yuǎn)鏡的誕生為標(biāo)志。第三次變革是從人類局限于在地面上觀測(cè)天體到進(jìn)入太空開(kāi)展天文觀測(cè)，它始于20世紀(jì)中葉空間時(shí)代的到來(lái)，以各種空間天文臺(tái)和空間望遠(yuǎn)鏡為主要標(biāo)志。

肉眼觀天，只能看到來(lái)自天體的可見(jiàn)光。光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡可以使我們看到更暗的天體，但它依然只能接收可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光是一種電磁輻射。接收天體發(fā)來(lái)的電磁輻射，乃是人類獲得天體信息的主要渠道。在天文學(xué)中，通常按波長(zhǎng)由短至長(zhǎng)（相應(yīng)地，頻率由高而低）將電磁輻射區(qū)分為γ射線、X射線、紫外線、可見(jiàn)光、紅外線、以及射電波共6大波段。

地球大氣會(huì)吸收、反射和散射來(lái)自天體的電磁輻射，致使大部分波段中的天體輻射無(wú)法到達(dá)地面。人們常把能夠穿透大氣層而抵達(dá)地面的波段范圍形象地稱為“大氣窗口”。這種“窗口”主要有三個(gè)：①光學(xué)窗口，即可見(jiàn)光和一小部分近紫外波段，波長(zhǎng)范圍約0.3微米～0.7微米。②紅外窗口，實(shí)際上由0.7微米～1毫米波長(zhǎng)范圍內(nèi)互相隔開(kāi)的許多“小窗口”構(gòu)成。③射電窗口。射電波段通常指1毫米～30米的波長(zhǎng)范圍，其中波長(zhǎng)短于1米的常稱為“微波區(qū)”。地球大氣在射電波段有少量吸收帶，但對(duì)波長(zhǎng)長(zhǎng)于13.5毫米的射電輻射則漸趨透明，在40毫米～30米的寬闊波段中則幾乎完全透明。

空間天文觀測(cè)擺脫了地球大氣層的桎梏，在上述3個(gè)“窗口”以外的各種波段取得了極豐富的資料。這樣，在20世紀(jì)后期，天文學(xué)就跨入了在整個(gè)電磁波譜所有波段上觀測(cè)研究天體的新時(shí)代，即“全波段天文學(xué)”的時(shí)代。從此，人類對(duì)許多天文現(xiàn)象的了解擺脫了瞎子摸象似的片面性。21世紀(jì)的全波段天文學(xué)，真可謂是方興未艾，前程似錦！

本文介紹射電波段的天文觀測(cè)和研究，即射電天文學(xué)的崛起。英語(yǔ)中的radio一詞，通常漢譯為“無(wú)線電”，但在天文學(xué)中常稱為“射電”。radio astronomy就是“射電天文學(xué)”。類似地，還有radio telescope為“射電望遠(yuǎn)鏡”，radio sky map為“射電天圖”，radio source為“射電源”， cosmic radio radiation為“宇宙射電輻射”等。

電磁波譜和大氣窗口

伽利略及其天文望遠(yuǎn)鏡

工作中的卡爾·央斯基

從可見(jiàn)光到無(wú)線電波

可見(jiàn)光天文學(xué)簡(jiǎn)稱“光學(xué)天文學(xué)”。射電天文學(xué)誕生以前的一切天文成就都應(yīng)歸功于光學(xué)天文學(xué)。古人探索行星運(yùn)動(dòng)，近代建立太陽(yáng)系圖景，考察銀河系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代打開(kāi)星系世界的大門，乃至奠定觀察宇宙學(xué)的基礎(chǔ)，都是光學(xué)天文學(xué)的功績(jī)，或著是光學(xué)天文學(xué)開(kāi)辟了前進(jìn)道路，再由其他波段后續(xù)支持取得的成果。

然而，光學(xué)波段畢竟只占整個(gè)電磁波譜的極小一部分。僅由光學(xué)觀測(cè)來(lái)推斷天體的性質(zhì)和演化規(guī)律，必然會(huì)帶有片面性。20世紀(jì)30年代射電天文學(xué)的誕生，使人類逐漸擺脫了上述窘境。而極具深意的是，射電天文學(xué)的開(kāi)山鼻祖卻是一位原本不懂天文，也并不熱愛(ài)天文的年輕人——美國(guó)無(wú)線電工程師卡爾·央斯基。

1905年10月22日，央斯基出生于美國(guó)奧克拉荷馬州的諾曼。他父親是定居美國(guó)的捷克后裔，是威斯康星大學(xué)的教授?？栐谠撔Ｈ〉梦锢韺W(xué)學(xué)士學(xué)位，畢業(yè)后留校任教一年。1928年他到著名的貝爾電話實(shí)驗(yàn)室工作。當(dāng)時(shí)，無(wú)線電電話剛開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，從倫敦打電話到紐約3分鐘時(shí)間要收費(fèi)75美元，而且通話還不時(shí)遭到電磁干擾。央斯基被派去研究短波無(wú)線電通訊中的天電——來(lái)自天空的無(wú)線電波的干擾問(wèn)題。后來(lái)知道，這些干擾來(lái)自大氣中的雷電、太陽(yáng)耀斑爆發(fā)導(dǎo)致的地球電離層擾動(dòng)，以及來(lái)自宇宙中各種天體的無(wú)線電輻射。

1931年12月，央斯基研制了一臺(tái)由天線陣和接收機(jī)組成的設(shè)備，天線陣長(zhǎng)30.5米，高3.66米，下面安裝了4個(gè)輪子，能在圓形的水平軌道上每20分鐘旋轉(zhuǎn)一周故被昵稱為“旋轉(zhuǎn)木馬”。他以14.6米的工作波長(zhǎng)進(jìn)行探測(cè)，起初發(fā)現(xiàn)了兩種天電干擾信號(hào)，一種由附近的雷暴引起，另一種由遠(yuǎn)處的雷暴經(jīng)電離層反射而來(lái)。1932年1月，他又發(fā)現(xiàn)一種相當(dāng)微弱而穩(wěn)定的信號(hào)，一時(shí)來(lái)源不明。這個(gè)噪聲源的方向隨時(shí)都在變化，近乎24小時(shí)繞行一周天。1932年，央斯基在《無(wú)線電工程師研究會(huì)報(bào)》上公布了這一發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為這種天電噪聲很可能來(lái)自太陽(yáng)。此后他繼續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)噪聲源越來(lái)越遠(yuǎn)離太陽(yáng)，但是卻對(duì)應(yīng)于星空背景的某個(gè)固定區(qū)域，最后確定為銀河系中心方向。1932年12月，貝爾實(shí)驗(yàn)室向新聞界通報(bào)這一發(fā)現(xiàn)時(shí)，《紐約時(shí)報(bào)》在頭版作了報(bào)道。

央斯基本人并未繼續(xù)拓展這門學(xué)科，他更感興趣的是工程部分。在頭幾年內(nèi)，天文學(xué)家門并未更深入地探索央斯基的發(fā)現(xiàn)。只有美國(guó)天文學(xué)家弗雷德·勞倫斯·惠普爾發(fā)表一篇文章討論他的觀測(cè)結(jié)果。還有一位天文愛(ài)好者格羅特·雷伯單槍匹馬地做了不少實(shí)際工作。

1950年，45歲的央斯基因心臟病卒于新澤西州的雷德班克。為了紀(jì)念他，后人把天體射電流量密度的單位稱為“央”。不過(guò)，央斯基的“旋轉(zhuǎn)木馬”還有明顯的缺點(diǎn)，還不能稱為真正的射電天文望遠(yuǎn)鏡。

央斯基的“旋轉(zhuǎn)木馬”

老年時(shí)的格羅特·雷伯

美國(guó)格林班克國(guó)家射電天文臺(tái)陳列的雷伯射電望遠(yuǎn)鏡復(fù)制品

第一架射電天文望遠(yuǎn)鏡

雷伯1911年12月22日生于伊利諾斯州惠頓，15歲時(shí)已熱衷于無(wú)線電收發(fā)報(bào)活動(dòng)。他在大學(xué)時(shí)代曾嘗試向月球發(fā)射無(wú)線電波，并試圖接收從月球反射回來(lái)的回波。他失敗了，直到第二次世界大戰(zhàn)后，美國(guó)通訊兵才以更大的投資做到了這一點(diǎn)。

央斯基發(fā)現(xiàn)來(lái)自銀河系中心的射電輻射時(shí)，雷伯剛從伊利諾伊州理工學(xué)院畢業(yè)不久，正在芝加哥的一家公司工作。他對(duì)央斯基的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了極大的興趣，便立即向貝爾實(shí)驗(yàn)室提出希望與央斯基一起研究天體的射電輻射，但未能如愿。

雷伯決定利用業(yè)余時(shí)間研制一臺(tái)比“旋轉(zhuǎn)木馬”更好的射電望遠(yuǎn)鏡，一切費(fèi)用自理。1937年，他在一位鐵匠的幫助下，終于在自家的后院建成一座口徑9.45米的拋物面天線。天線的底盤是木制的，表面覆蓋鍍鋅的鐵皮，工作波長(zhǎng)為1.87米，后來(lái)又改到更短的波長(zhǎng)。在幾年時(shí)間里，雷伯是世界上獨(dú)一無(wú)二的射電天文學(xué)家。直到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束，他的儀器仍是世界上唯一的一臺(tái)射電天文望遠(yuǎn)鏡。

1938年，雷伯開(kāi)始有目的地接收來(lái)自宇宙的射電波，確認(rèn)了央斯基的發(fā)現(xiàn)。1940年，《天體物理學(xué)報(bào)》刊出他報(bào)道探測(cè)結(jié)果的論文。這是天文學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表的第一篇射電天文學(xué)文章。1941年雷伯用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行第一次射電天文巡天觀測(cè)，在人馬座、天鵝座和仙后座中各發(fā)現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的射電源，并繪制了人類歷史上第一幅銀河系射電天圖。

1947年，雷伯把他的射電望遠(yuǎn)鏡給了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局。以后，他把觀測(cè)地點(diǎn)移到夏威夷，然后又轉(zhuǎn)移到澳大利亞。如果說(shuō)央斯基使射電天文學(xué)得以誕生的話，那么這門學(xué)科的幼年卻是靠雷伯獨(dú)自哺育的。后來(lái)，洛弗爾、賴爾等人又使它長(zhǎng)大成熟。

2002年，雷伯與世長(zhǎng)辭。如今，央斯基的“旋轉(zhuǎn)木馬”和雷伯的射電望遠(yuǎn)鏡都已作為文物，陳列在美國(guó)格林班克國(guó)家射電天文臺(tái)。

射電天文學(xué)的成長(zhǎng)

與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡類似，射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率與望遠(yuǎn)鏡的口徑成正比，而與所接收的射電波的波長(zhǎng)成反比。射電波的波長(zhǎng)是可見(jiàn)光的104倍～107倍，這就使經(jīng)典式射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率往往比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡低得多。分辨率通常以分辨角的倒數(shù)表示，分辨角越大則分辨率越小。雷伯那架射電望遠(yuǎn)鏡的分辨角約為14°，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡指向天空接收射電信號(hào)時(shí)，倘若那里有彼此相距小于14°的兩個(gè)射電源，就分不清信號(hào)來(lái)自哪一個(gè)了。低分辨率一度嚴(yán)重限制了射電望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用。

根據(jù)中性氫分布推斷的銀河系結(jié)構(gòu)圖，中央是銀河系中心。左側(cè)由澳大利亞天文學(xué)家完成，右側(cè)由荷蘭天文學(xué)家完成，兩者的結(jié)合部體現(xiàn)出很合理的一致性

盡管如此，射電天文學(xué)發(fā)展初期還是取得了一些很重要的成果，其中之一就是發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)射電。1942年，英國(guó)空軍所有波長(zhǎng)為4米～6米的雷達(dá)都受到很強(qiáng)烈的干擾，起初英國(guó)人以為這是納粹德國(guó)發(fā)射的干擾電波。后來(lái)，詹姆斯·斯坦利·海伊領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)查明這種干擾其實(shí)來(lái)自太陽(yáng)。太陽(yáng)上不時(shí)地發(fā)生著射電輻射突然增強(qiáng)的過(guò)程，稱為“太陽(yáng)射電爆發(fā)”。它們與日面上黑子、耀斑等太陽(yáng)活動(dòng)現(xiàn)象密切相關(guān)。同時(shí)，人們還探測(cè)到太陽(yáng)的穩(wěn)定射電輻射，稱為太陽(yáng)射電寧?kù)o成分。后來(lái)，人們又發(fā)現(xiàn)一種緩慢變化的成分，稱為太陽(yáng)射電緩變成分。1946年，加拿大的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)射電也具有與黑子活動(dòng)相同的11年變化周期。新興的太陽(yáng)射電天文學(xué)就這樣誕生了。

另一項(xiàng)重大成果是發(fā)現(xiàn)了銀河系內(nèi)中性氫原子21厘米的射電輻射。早在1938年，荷蘭天文學(xué)家揚(yáng)·亨特里克·奧爾特已從光學(xué)觀測(cè)資料推斷銀河系存在旋渦結(jié)構(gòu)?？墒牵y道面附近密布的塵埃云嚴(yán)重地阻礙了光波的傳播。無(wú)線電波能夠穿透塵埃，從而可望為這項(xiàng)研究提供新的途徑。奧爾特于是建議他的研究生范德胡斯特從理論上尋找可供觀測(cè)的射電譜線。后者發(fā)現(xiàn)在銀河系空間廣泛分布的中性氫原子應(yīng)該發(fā)出頻率為1420.4兆赫、波長(zhǎng)為21.2厘米的射電輻射。這是射電天文學(xué)發(fā)展史上第一個(gè)重大的理論突破。1951年，美國(guó)、荷蘭和澳大利亞的天文學(xué)家先后觀測(cè)到來(lái)自銀河系的21厘米譜線信號(hào)，并由此催生了射電天文學(xué)中一個(gè)極重要的分支——射電頻譜學(xué)。

探測(cè)21厘米射電譜線對(duì)于研究銀河系的結(jié)構(gòu)具有重要意義。奧爾特組織人員觀測(cè)21厘米射電譜線，以探測(cè)中性氫在銀河系里的分布。他們同澳大利亞的射電天文學(xué)家協(xié)作，在1958年聯(lián)合繪就銀河系內(nèi)中性氫的分布圖，清晰地展示了銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造了在光學(xué)波段無(wú)法完成的光輝業(yè)績(jī)。

技術(shù)的進(jìn)步

20世紀(jì)四五十年代，射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，戰(zhàn)時(shí)為軍隊(duì)服務(wù)的許多雷達(dá)工程師將雷達(dá)改裝成射電望遠(yuǎn)鏡，轉(zhuǎn)而從事射電天文研究。其中英國(guó)人馬丁·賴爾的成就尤為卓著。

20世紀(jì)40年代中期，賴爾為改進(jìn)單天線射電望遠(yuǎn)鏡分辨率太低的缺陷，首創(chuàng)了雙天線射電干涉儀。這種射電望遠(yuǎn)鏡用相隔一定距離——稱為“基線”——的兩面天線同時(shí)觀測(cè)同一個(gè)射電源，把接收到的兩組射電波輸入處理器使它們發(fā)生干涉。由此獲得的分辨率等效于一架口徑相當(dāng)于上述基線長(zhǎng)度的單天線射電望遠(yuǎn)鏡。由此，射電觀測(cè)的分辨率大為提高。1955年，賴爾建成一臺(tái)四天線干涉儀，進(jìn)行廣泛的射電巡天探測(cè)。1959年，他刊布了著名的《劍橋第三星表》，簡(jiǎn)稱3C星表。

在干涉儀原理的基礎(chǔ)上，賴爾還提出了“綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡”的嶄新概念，從理論上解決了射電觀測(cè)如何成像的難題。1954年他設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，觀測(cè)驗(yàn)證了綜合孔徑原理的正確性。1960年，他又利用三面直徑18米的拋物面天線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，組成等效直徑為1.6千米、觀測(cè)波長(zhǎng)為1.7米的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡，得到了分辨角為4.5′的射電圖像。這為以后研制大型綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，為了觀測(cè)更弱的射電源，天文學(xué)家必須建造更大的射電望遠(yuǎn)鏡。英國(guó)天文學(xué)家阿爾弗雷德·查爾斯·伯納德·洛弗爾于1950年提議建造的76米口徑大型射電望遠(yuǎn)鏡，最終于1957年在曼徹斯特市以南的焦德雷爾班克落成。這臺(tái)全動(dòng)式可跟蹤望遠(yuǎn)鏡高達(dá)89米，總質(zhì)量達(dá)3200噸。直到1971年，它一直處于世界領(lǐng)先地位。1987年，在慶祝落成30周年之際，該鏡被重新命名為洛弗爾射電望遠(yuǎn)鏡。

澳大利亞于1958年開(kāi)始建造64米口徑的大型射電望遠(yuǎn)鏡，歷時(shí)兩年半順利完成，坐落在帕克斯鎮(zhèn)附近。它與上述的英國(guó)76米射電望遠(yuǎn)鏡相配合，觀測(cè)范圍覆蓋全天，起了無(wú)可替代的作用。

總之，在20世紀(jì)四五十年代，射電頻譜學(xué)誕生了，各種射電干涉儀相繼問(wèn)世，大型單天線射電望遠(yuǎn)鏡也開(kāi)始成為現(xiàn)實(shí)。在下一篇文章中，我們將更為深入地介紹射電望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)進(jìn)步。異軍突起的射電天文學(xué)，到20世紀(jì)50年代末已經(jīng)呈現(xiàn)出一派欣欣向榮的景象。更豐碩的成果——例如20世紀(jì)60年代的射電天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”，仿佛已經(jīng)呼之欲出了。