Astronomy 版 (精华区)

发信人: ourus (我们的我们), 信区: Astronomy
标  题: 射电天文学的难产
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年06月05日16:36:14 星期四), 站内信件

对太阳耀斑的冷淡

　　自古以来，人类用肉眼观测星空，只能看到6000颗星星。望远镜的出现，让人
类可以进入宇宙的更深处。最早出现的是光学望远镜，捕捉宇宙中天体所发出的光
辐射，由此而诞生了现代天文学。

　　1887年，德国卓越的实验物理学家赫兹（H·R·Hertz，1857-1894）首次从实
验上证实了麦克斯韦的著名电磁波预言。电磁波和光波一样，具有反射、折射和偏
振等性质。电磁波理论对当今的信息科学的发展具有重要的意义。在当时，赫兹的
实验对无线电电子学的产生也有巨大的推动作用，波波夫和马可尼分别于1895年前
后发明了无线电传输信息的新技术。这不仅大大提高了信息传输的速度，并且随着
无线电技术的发展也影响到天文学观测手段的变革。

　　利用电磁波传输信息的成功对天文学家也产生了一些启发，何不将电磁波技术
用于天文观测呢？其实，赫兹的实验本身就包含着接收宇宙空间的“无线电辐射”
（简称“射电”）的可能性。由于电磁波同光波一样，太阳发光，那么太阳也应辐
射电磁波。因此，人们开始探测“太阳射电”。

　　最先进行“太阳射电”探测的是著名的发明家爱迪生，后来，德国天文学家威
尔欣和欣纳，英国的物理学家洛奇也先后进行了实验。但是，他们都未能获得成功。

　　1901年，法国一位年轻的名叫诺德曼的研究生准备对太阳射电作探测工作。他
带着一套在当时较为先进的探测设备上了海拔为3100米的阿尔卑斯山。尽管他的设
备有一根长约175米的天线，但由于当时不是太阳活动的“高峰年”，没有“太阳
射电爆发”的情况发生。诺德曼没有接收到“太阳射电”，这样，他只进行了一天
的探测就打道回府了。诺德曼的这一天可以看作是从爱迪生到诺德曼的“太阳射电”
探测的令人遗憾的总结。尽管1902年，法国的一些科学家建议，太阳耀斑会引起
强烈的辐射，应在全球的范围内进行探测。但是，人们的反应是冷淡的，而且这样
的冷淡竟持续了30年的时间。

捕捉神秘的信号


　　1928年，一位新毕业的年轻大学生到了著名的贝尔电话实验室，并被分配到一
个工作站工作，这就是央斯基（K·Jansky，1905-1950）。当时，美国电话电报公
司正在发展跨越大西洋的无线通信业务，而它的研究和发展部门就开始了相应的研
究工作。为了提高通话的话音质量，必须要消除各种干扰。当时，人们对来自太空
的射电干扰并不陌生，在用收音机收听节目时就可以听到这种干扰。在进行无线电
通信要消除这些干扰，就要先搞清楚这些干扰信号的各种参数。央斯基就是对这些
干扰信号进行测量。

　　1931年，央斯基已经身患一种顽症。由于他需要疗养，于是与所在的单位达成
协议，到新泽西州的一个土豆种植农场“疗养”。在疗养的时间，央斯基还要作原
来的研究工作。在这个农场，央斯基用木头、金属和电线建起了一座可以随意改变
方向的天线阵。这样，央斯基在差不多2年的时间内一直在农场的小屋中，用这架
天线对宇宙的射电干扰进行探测。

　　在测量过程中，央斯基发现，雷电和工作着的电机都会对无线电通信产生干扰。
他还证明，电火花在闪光时也会发射短暂的电波。这样，央斯基逐一地将各种电
波的来源都搞清楚了。但是，令央斯基不解的是，有一种干扰噪音怎么也找不到它
的源头。这种颇有些神秘的电波使央斯基花费了大量的时间。

　　后来，央斯基注意到，这种干扰信号只是在每天特定的时候才变得非常强烈，
这种干扰的方向还会移动。这种类似雷暴产生的“嗞嗞……”声，其周期为23小时
56分，也就是说，每天产生的时间比头一天要早4分钟，央斯基发现，这是一种来
自宇宙的电波。

　　央斯基收到的信号是人类第一次收到的来自太空的信号。许多人认为，这是太
空中的“智慧人”所发出的电报。新闻记者炒作起来更是夸大其辞，报纸上写着醒
目的大标题：“火星人在拍发电报”！他们写道：“一些科学家正忙着设法把那些
从理智生物得来的无线电报破译出来。不久就可望与外星居民建立双向通讯”。

　　为了搞清楚这种射电波，央斯基开始钻研天文学。他因此而明白，天文学上的
一天与我们平常日历上的一天是不一样的。如果我们根据星辰在地球上空的位移来
计算一天的长度，那么一天的长度就是23小时56分钟（恒星日）。央斯基还发现，
他所收到的信号不是来自太阳系内，而是来自银河系的中心。

　　但是好景不长。这种信号与“智慧人”并无关系，而贝尔实验室也没有义务去
研究一种无法消除的射电干扰。因此，央斯基被派到别的研究岗位，从事其他的项
目。

　　除了央斯基之外，在美国还有一位年轻的工程师也在进行类似的研究，这就是
雷伯，一位无线电接收机的设计师。他在自己的后院架设了一个直径9米的抛物面
天线。这是世界上第一台真正的射电望远镜。雷伯在1939年证明了央斯基的发现，
接着他又花了10年的时间绘制出第一幅射电天图。

　　然而，央斯基也好，雷伯也好，他们的研究工作都未能受到科学界的重视。央
斯基在最初确实红火了一阵，但此后就是10多年的寂寞。直到他去世，他也许会感
到有些遗憾，甚至还会有一些“壮志未酬”的感觉。雷伯的孤军奋战，自费研究也
确有可嘉之处。这说明，科学界的反应是比较迟钝的。这也反映出人们在20世纪上
半叶尚不能对太阳射电有正确的认识。只是在第二次世界大战时，由于雷达的发展，
人们才有机会——特别是在太阳活动的高峰年——对太阳射电有更深的认识，进
而在探测宇宙奥秘的研究中开出了一个重要的窗口。


射电天文学的发展


　　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。

　　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。科学家还
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。

　　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。

　　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。

　　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迸发有关：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。而在宇宙中能量迸发最剧烈的
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。

　　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。

　　那么，现在我们给射电天文学下一个定义就是：利用天体在1毫米以上波段的
辐射来研究天文现象的学科，理论上以近代物理为基础来分析研究天体的物理特性、
化学组成和结构演化。

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