□ 夢 天

天文觀測的三次變革

人類的天文觀測經(jīng)歷了三次革命性的變革。第一次變革是從肉眼觀星進入到利用光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡觀測天體，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天體的可見光進入到接收天體的無線電波，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天體到進入太空開展天文觀測，它始于20世紀(jì)中葉空間時代的到來，以各種空間天文臺和空間望遠(yuǎn)鏡為主要標(biāo)志。

肉眼觀天，只能看到來自天體的可見光。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光。可見光是一種電磁輻射。接收天體發(fā)來的電磁輻射，乃是人類獲得天體信息的主要渠道。在天文學(xué)中，通常按波長由短至長（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、可見光、紅外線、以及射電波共6大波段。

地球大氣會吸收、反射和散射來自天體的電磁輻射，致使大部分波段中的天體輻射無法到達地面。人們常把能夠穿透大氣層而抵達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：①光學(xué)窗口，即可見光和一小部分近紫外波段，波長范圍約0.3微米～0.7微米。②紅外窗口，實際上由0.7微米～1毫米波長范圍內(nèi)互相隔開的許多“小窗口”構(gòu)成。③射電窗口。射電波段通常指1毫米～30米的波長范圍，其中波長短于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，但對波長長于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。

空間天文觀測擺脫了地球大氣層的桎梏，在上述3個“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)就跨入了在整個電磁波譜所有波段上觀測研究天體的新時代，即“全波段天文學(xué)”的時代。從此，人類對許多天文現(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和研究，即射電天文學(xué)的崛起。英語中的radio一詞，通常漢譯為“無線電”，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

從可見光到無線電波

可見光天文學(xué)簡稱“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)。古人探索行星運動，近代建立太陽系圖景，考察銀河系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代打開星系世界的大門，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，或著是光學(xué)天文學(xué)開辟了前進道路，再由其他波段后續(xù)支持取得的成果。

然而，光學(xué)波段畢竟只占整個電磁波譜的極小一部分。僅由光學(xué)觀測來推斷天體的性質(zhì)和演化規(guī)律，必然會帶有片面性。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)的開山鼻祖卻是一位原本不懂天文，也并不熱愛天文的年輕人——美國無線電工程師卡爾·央斯基。

1905年10月22日，央斯基出生于美國奧克拉荷馬州的諾曼。他父親是定居美國的捷克后裔，是威斯康星大學(xué)的教授。卡爾在該校取得物理學(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驗室工作。當(dāng)時，無線電電話剛開始運營，從倫敦打電話到紐約3分鐘時間要收費75美元，而且通話還不時遭到電磁干擾。央斯基被派去研究短波無線電通訊中的天電——來自天空的無線電波的干擾問題。后來知道，這些干擾來自大氣中的雷電、太陽耀斑爆發(fā)導(dǎo)致的地球電離層擾動，以及來自宇宙中各種天體的無線電輻射。

1931年12月，央斯基研制了一臺由天線陣和接收機組成的設(shè)備，天線陣長30.5米，高3.66米，下面安裝了4個輪子，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米的工作波長進行探測，起初發(fā)現(xiàn)了兩種天電干擾信號，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。1932年1月，他又發(fā)現(xiàn)一種相當(dāng)微弱而穩(wěn)定的信號，一時來源不明。這個噪聲源的方向隨時都在變化，近乎24小時繞行一周天。1932年，央斯基在《無線電工程師研究會報》上公布了這一發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為這種天電噪聲很可能來自太陽。此后他繼續(xù)跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)這個噪聲源越來越遠(yuǎn)離太陽，但是卻對應(yīng)于星空背景的某個固定區(qū)域，最后確定為銀河系中心方向。1932年12月，貝爾實驗室向新聞界通報這一發(fā)現(xiàn)時，《紐約時報》在頭版作了報道。

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結(jié)果。還有一位天文愛好者格羅特·雷伯單槍匹馬地做了不少實際工作。

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，央斯基的“旋轉(zhuǎn)木馬”還有明顯的缺點，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”

老年時的格羅特·雷伯

美國格林班克國家射電天文臺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歲時已熱衷于無線電收發(fā)報活動。他在大學(xué)時代曾嘗試向月球發(fā)射無線電波，并試圖接收從月球反射回來的回波。他失敗了，直到第二次世界大戰(zhàn)后，美國通訊兵才以更大的投資做到了這一點。

央斯基發(fā)現(xiàn)來自銀河系中心的射電輻射時，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。他對央斯基的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了極大的興趣，便立即向貝爾實驗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)余時間研制一臺比“旋轉(zhuǎn)木馬”更好的射電望遠(yuǎn)鏡，一切費用自理。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，工作波長為1.87米，后來又改到更短的波長。在幾年時間里，雷伯是世界上獨一無二的射電天文學(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射電天文望遠(yuǎn)鏡。

1938年，雷伯開始有目的地接收來自宇宙的射電波，確認(rèn)了央斯基的發(fā)現(xiàn)。1940年，《天體物理學(xué)報》刊出他報道探測結(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年雷伯用這臺望遠(yuǎn)鏡進行第一次射電天文巡天觀測，在人馬座、天鵝座和仙后座中各發(fā)現(xiàn)一個很強的射電源，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)鏡給了國家標(biāo)準(zhǔn)局。以后，他把觀測地點移到夏威夷，然后又轉(zhuǎn)移到澳大利亞。如果說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自哺育的。后來，洛弗爾、賴爾等人又使它長大成熟。

2002年，雷伯與世長辭。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，陳列在美國格林班克國家射電天文臺。

射電天文學(xué)的成長

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成反比。射電波的波長是可見光的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時，倘若那里有彼此相距小于14°的兩個射電源，就分不清信號來自哪一個了。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)了太陽射電。1942年，英國空軍所有波長為4米～6米的雷達都受到很強烈的干擾，起初英國人以為這是納粹德國發(fā)射的干擾電波。后來，詹姆斯·斯坦利·海伊領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊查明這種干擾其實來自太陽。太陽上不時地發(fā)生著射電輻射突然增強的過程，稱為“太陽射電爆發(fā)”。它們與日面上黑子、耀斑等太陽活動現(xiàn)象密切相關(guān)。同時，人們還探測到太陽的穩(wěn)定射電輻射，稱為太陽射電寧靜成分。后來，人們又發(fā)現(xiàn)一種緩慢變化的成分，稱為太陽射電緩變成分。1946年，加拿大的天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)太陽射電也具有與黑子活動相同的11年變化周期。新興的太陽射電天文學(xué)就這樣誕生了。

另一項重大成果是發(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·亨特里克·奧爾特已從光學(xué)觀測資料推斷銀河系存在旋渦結(jié)構(gòu)。可是，銀道面附近密布的塵埃云嚴(yán)重地阻礙了光波的傳播。無線電波能夠穿透塵埃，從而可望為這項研究提供新的途徑。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)展史上第一個重大的理論突破。1951年，美國、荷蘭和澳大利亞的天文學(xué)家先后觀測到來自銀河系的21厘米譜線信號，并由此催生了射電天文學(xué)中一個極重要的分支——射電頻譜學(xué)。

探測21厘米射電譜線對于研究銀河系的結(jié)構(gòu)具有重要意義。奧爾特組織人員觀測21厘米射電譜線，以探測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)波段無法完成的光輝業(yè)績。

技術(shù)的進步

20世紀(jì)四五十年代，射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)也取得了長足的進步。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，戰(zhàn)時為軍隊服務(wù)的許多雷達工程師將雷達改裝成射電望遠(yuǎn)鏡，轉(zhuǎn)而從事射電天文研究。其中英國人馬丁·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”——的兩面天線同時觀測同一個射電源，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)于上述基線長度的單天線射電望遠(yuǎn)鏡。由此，射電觀測的分辨率大為提高。1955年，賴爾建成一臺四天線干涉儀，進行廣泛的射電巡天探測。1959年，他刊布了著名的《劍橋第三星表》，簡稱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如何成像的難題。1954年他設(shè)計了一個實驗方案，觀測驗證了綜合孔徑原理的正確性。1960年，他又利用三面直徑18米的拋物面天線進行實驗，組成等效直徑為1.6千米、觀測波長為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)鏡奠定了堅實的基礎(chǔ)。

與此同時，為了觀測更弱的射電源，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。這臺全動式可跟蹤望遠(yuǎn)鏡高達89米，總質(zhì)量達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年開始建造64米口徑的大型射電望遠(yuǎn)鏡，歷時兩年半順利完成，坐落在帕克斯鎮(zhèn)附近。它與上述的英國76米射電望遠(yuǎn)鏡相配合，觀測范圍覆蓋全天，起了無可替代的作用。

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世，大型單天線射電望遠(yuǎn)鏡也開始成為現(xiàn)實。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。