Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 射电天文学
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年05月19日21:19:04 星期一), 站内信件

    射电天文学是通过观测天体的无线电波来研究天文现象的一门学科。由于地球
大气的阻拦，从天体来的无线电波只有波长约 1毫米到30米左右的才能到达地面，
迄今为止，绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。 

    射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体：从近处
的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。射电天
文波段的无线电技术，到二十世纪四十年代才真正开始发展。 

    对于历史悠久的天文学而言，射电天文使用的是一种崭新的手段，为天文学开
拓了新的园地。六十年代中的四大天文发现：类星体、脉冲星、星际分子和微波背
景辐射，都是利用射电天文手段获得的。从前，人类只能看到天体的光学形象，而
射电天文则为我们展示出天体的另一侧面——无线电形象。由于无线电波可以穿过
光波通不过的尘雾，射电天文观测就能够深入到以往凭光学方法看不到的地方。银
河系空间星际尘埃遮蔽的广阔世界，就是在射电天文诞生以后，才第一次为人们所
认识。 

    射电天文学的历史始于1931～1932年。美国无线电工程师央斯基在研究长途电
讯干扰时偶然发现存在来自银心方向的宇宙无线电波。1940年，雷伯在美国用自制
的直径9.45米、频率162兆赫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。战后，一些雷达科技人员，
把雷达技术应用于天文观测，揭开了射电天文学发展的序幕。 

    到了二十世纪七十年代，雷伯首创的那种抛物面型射电望远镜的“后代”，已
经发展成现代的大型技术设备。其中名列前茅的如德意志联邦共和国埃费尔斯贝格
的射电望远镜，直径达100米，可以工作到短厘米波段。这种大型设备配上各种高
灵敏度接收机，便可以在各个波段探测到极其微弱的天体无线电波。 

    对于研究射电天体来说，测到它的无线电波只是一个最基本的要求。我们还可
以应用颇为简单的原理，制造出射电频谱仪和射电偏振计，用以测量天体的射电频
谱和偏振。研究射电天体的进一步的要求是精测它的位置和描绘它的图像。 

    一般说来，只有把射电天体的位置测准到几角秒，才能够较好地在光学照片上
认出它所对应的天体，从而深入了解它的性质。为此，就必须把射电望远镜造得很
大，比如说，大到好几公里。这必然会带来机械制造上很大的困难。因此，人们曾
认为射电天文在测位和成像上难以与光学天文相比。可是，五十年代以后，射电望
远镜的发展，特别是射电干涉仪(由两面射电望远镜放在一定距离上组成的系统)的
发展，使测量射电天体位置的精度稳步提高。 

    五十年代到六十年代前期，在英国剑桥，利用许多具射电干涉仪构成了“综合
孔径”系统，并且用这种系统首次有效地描绘了天体的精细射电图像。接着，荷兰
、美国、澳大利亚等国也相继发展了这种设备。到七十年代后期，工作在短厘米波
段的综合孔径系统所取得的天体射电图像细节精度已达2"，可与地面上的光学望远
镜拍摄的照片媲美。 

    射电干涉仪的应用还导致了六十年代末甚长基线干涉仪的发明。这种干涉仪的
两面射电望远镜之间距离长达几千公里，乃至上万公里。用它测量射电天体的位置
，已能达到千分之几角秒的精度。七十年代中，在美国完成了多具甚长基线干涉仪
的组合观测，不断取得重要的结果。 

    应用射电天文手段观测到的天体，往往与天文世界中能量的进发有关：规模最
“小”的如太阳上的局部爆发、一些特殊恒星的爆发，较大的如晚期恒星的爆炸，
更大的如星系核的爆发等等，都有强烈的射电反应。而在宇宙中能量进发员剧烈的
天体，包括射电星系和类星体，每秒钟发出的无线电能量估计可达太阳全部辐射的
一千亿倍乃至百万亿倍以上。

    这类天体有的包含成双的射电源，有的伸展到周围很远的空间。有些处在核心
位置的射电双源，以视超光速的速度相背飞离。这些发现显然对于研究星系的演化
具有重大的意义。高能量的河外射电天体，即使处在非常遥远的地方，也可以用现
代的射电望远镜观测到。这使得射电天文学探索到的宇宙空间达到过去难以企及的
深处。 

    这一类宇宙无线电波都属于“非热辐射”，有别于光学天文中常见的热辐射。
对于星系和类星体的非热辐射的主要起因，是大量电子以接近于光速的速度在磁场
中的运动。许多观测事实都支持这种见解。但是，这些射电天体如何产生并不断释
放这样巨大的能量，而这种能量如何激起大量近于光速的电子，则是当前天文学和
物理学中需要解决的重大课题。 

    天体无线电波还可能来自其他种类的非热辐射。日冕中等离子体波转化成的等
离子体辐射就是一例。而在光学天文中所熟悉的那些辐射，也同样能够在无线电波
段中产生，例如，太阳上的电离大气以及银问系的电离氢区所发出的热辐射，都是
理论上预计到的。微波背景的2.7K热辐射，虽然是一个惊人的发现，但它的机制却
是众所熟知的。 

    光谱学在现代天文中的决定性作用，促使人们寻求无线电波段的天文谱线。五
十年代初期，根据理论计算，测到了铝河系空间中性氢2l厘米谱线。后来，利用这
条谱线进行探测，大大增加了我们对于银河系结构(特别是旋臂结构)和一些河外星
系结构的知识。氢谱线以外的许多射电天文谱线是最初没有料到的 ，1963年测到
了星际羟基的微波谱线，六十年代末又陆续发现了氨、水和甲醛等星际分子射电谱
线。 

    在二十世纪七十年代，主要依靠毫米波(以及短厘米波)射电天文手段发现的星
际分子迅速增加到五十多种，所测到的分子结构愈加复杂，有的链长超过l0个原子
。这些分子大部分集中在星云中。它们的分布，有的反映了银河系的大尺度结构，
有的则与恒星的起源有关。研究这些星际分子，对于探索宇宙空间条件下的化学反
应将有深刻影响。 

    近几十年来，随着观测手段的不断革新，射电天文学在多个层次中发现的天体
射电现象，不仅是光学天文的补充，而且常常超出原来的想象，开辟出许多新的研
究领域。 

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