射电天文学的萌芽及早期发展

作者|方    粤
审核|赵经远编辑|席宇博

20世纪60年代天文界四大发现,分别是类星体、脉冲星、星际有机分子和宇宙微波背景辐射,而这些发现,无一例外地都需要这样一种设备——射电望远镜。2019年诺贝尔物理学奖颁给了三位天文学家,其中一半授予加拿大裔美国天文学家菲利普·詹姆斯·埃德温·皮伯斯(Phillip James Edwin Peebles),以表彰其对宇宙物理学所做的贡献,而皮伯斯最大的贡献之一便是为宇宙微波背景辐射的发现提供了理论支持,因此今年的诺贝尔物理学奖与与射电天文学亦有一定关系。那么今天小星就给大家讲讲射电天文学的萌芽及早期发展吧。
2019年诺贝尔物理学奖获得者,左一为皮伯斯(图片来源于诺贝尔奖官方推特)1860年,伟大的电磁学之父麦克斯韦曾预言整个辐射家族都与电磁现象(即电磁辐射)有联系,而平常的可见光只是这个家族中的一小部分而已,而后在1887年,德国物理学家H.R.赫兹从感应线圈的火花中制造振荡电流,结果产生出波长极长的辐射,比一般红外辐射的波长长得多,H.R.赫兹探测到了这些辐射,这些辐射后来就被称为无线电波或射电波。在牛顿(发现白光是由多种颜色的光复合而成)、伦琴(发现了伦琴射线,即X射线)等科学家的贡献下,人类对电磁波谱的认识更加全面。时间来到了1931年1月,来自美国贝尔实验室的一名工程师,幸运地揭开了射电天文学的面纱。

央斯基与他的天线(图片来源于美国国家射电天文台)这位工程师便是卡尔·基德·央斯基(Karl Guthe Jansky)。贝尔实验室希望利用短波研究大气和电离层特性,以便用于跨大西洋无线电话服务。央斯基使用自己安装的方向性很强的天线,在研究经常伴随着无线电接收而产生的静电时,发现在14.6米的波长上接收到一种无线电干扰信号,简单来说就是他发现了一个不应该存在的噪声,而这种噪声不可能来自任何通常的噪声源。他起初以为这个噪声来自太阳,但发现它有着23小时56分钟04秒的周期,与恒星日相同(恒星日是某个恒星连续两次上中天的时间间隔),这表明其来源于极为遥远的宇宙空间。经过一年多的测量和分析,1933年央斯基发表论文宣称:这是来自银河系中心方向的射电辐射。于是人类第一次捕捉到了来自太空深处的无线电波,射电天文学从此诞生了,这也是天文学发展史上的又一次飞跃。

央斯基1933年的论文(图片来源于网络)在这之后,央斯基想进一步研究来自银河系的无线电波,但他找不到天文学家的支持,而他自己所在的贝尔实验室则认为这些噪声不会对无线电话造成影响,将央斯基调离了原先的岗位,此后他再也没能回到天文学领域。

在当时,射电天文学是比较不受待见的,其中一个最关键的原因是射电波的波长太长了,来自空间的射电信号,波长大约是光波波长的几十万倍甚至几百万倍,射电望远镜必须有一个比光学望远镜的镜面大得多的抛物面天线, 才能产生像光学望远镜那样清晰的天空图像(θ=1.22λ/D,θ为分辨率,λ为接收波长,D为望远镜口径),这样的大制作让当时的科学家们望而止步。

目前世界最大的全向可动射电望远镜之一:100m口径的绿岸望远镜(图片来源于维基百科)

1938年,美国天文学家格罗特·雷伯(英语:Grote Reber)在美国用自制的直径9.45米、频率162兆赫兹的抛物面型射电望远镜证实了央斯基的发现,并测到了太阳以及其他一些天体发出的无线电波。第二次世界大战中,英国的军用雷达接收到太阳发出的强烈无线电辐射,表明超高频雷达设备适合于接收太阳和其他天体的无线电波。二战结束后,英国继续对太阳射电频率的研究工作,在1950年,他们发现,太阳的射电信号大多与太阳活动有关,这也进一步促进了射电天文学及太阳物理学的发展。

东亚甚长基线网(图片来源于Nature Astronomy)1946年,剑桥大学卡文迪许实验室的天文学家马丁•赖尔爵士(Sir Martin Ryle)终于发现了有效提高射电望远镜分辨率的方法:要获得高分辨率,并不需要建造一架大得无法制作的射电望远镜,而只需要利用电磁波的干涉原理,用多个射电射电望远镜组成射电望远镜阵,同时观测同一个目标,这样便得到一个虚拟的望远镜,口径相当于其中相距最远的两台射电望远镜之间的距离(这里的距离也就是所说的基线长度),可以得到很高的分辨率。1974年赖尔因此获得诺贝尔物理学奖。这种方法称为综合孔径技术,由此射电望远镜产生的图像甚至比敏锐的光学望远镜还要清晰许多,远的不说,今年4月10日,全球六地同步发布人类首张黑洞的真实影像,利用的便是甚长基线干涉测量技术(VLBI),把全球各地8个射电望远镜(阵列)连接起来,组成一个名为事件视界望远镜的虚拟望远镜,等效口径有地球那么大,其原理同综合孔径技术相同,只是基线更长。

M87中心黑洞照片(图片来源于ESO)射电天文学随着综合孔径技术的出现,迎来了发展的强盛时期,有力推动了科学的进步,使人类在认识宇宙的道路上又前进了一步。

参考资料

1、射电天文学在观察宇宙中的发展历程

http://blog.sina.com.cn/s/blog_475ab09801000arf.html

2、央斯基

https://baike.baidu.com/item/%E5%A4%AE%E6%96%AF%E5%9F%BA/1230607?fr=aladdin

3、向守平,天体物理概论,中国科学技术大学出版社,2008年11月第一版

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