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        早期的射電天文學(xué)

        2016-07-23 10:48:48
        新民周刊 2016年28期
        關(guān)鍵詞:斯基天文學(xué)干擾源

        1930年代,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室在開展跨大西洋無線電話業(yè)務(wù)時,想調(diào)查一下短波(頻率3兆赫-30兆赫)存在哪些可能的干擾源,于是指派了一位工程師卡爾·央斯基(Karl Jansky)來做這份工作。

        央斯基為此建造一架天線探測20.5兆赫無線電波(波長14.6米),它架在一個桌面上,桌面下面安裝了四個輪胎的驅(qū)動系統(tǒng),從而可以探測任意方向的信號源。當(dāng)時他的同事們把這個裝置稱為“央斯基的旋轉(zhuǎn)木馬”。

        工作了幾個月之后,央斯基把干擾信號源分成了三類:近處的雷暴、遠(yuǎn)方的雷暴,以及一種未知的微弱穩(wěn)定信號源。他又花了一年時間來調(diào)查這第三種干擾源的性質(zhì)。

        他一開始發(fā)現(xiàn)干擾源最強(qiáng)的位置每天升起落下一次,使他以為信號來自太陽。經(jīng)過幾個月跟蹤之后,信號源與太陽分開了,這時央斯基也發(fā)現(xiàn),信號重復(fù)的周期不是24小時,而是23小時56分,這是地球相對于恒星自轉(zhuǎn)的周期。經(jīng)過與天文圖像對比,他確認(rèn)這些無線電輻射來自銀河系,信號最強(qiáng)的方向正好是在人馬座方向,這里是銀河系的中心所在。

        這份報告在1933年出版,并在5月5日的《紐約時報》上做了報道。央斯基向貝爾實(shí)驗(yàn)室申請建造一架靈敏度更高的天線,進(jìn)行更仔細(xì)的測量,但貝爾實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為既然這些信號源不足干擾洲際無線電通信,因此給央斯基指派了其他的工作,從此無線電工程師央斯基告別了他無意中開辟的“射電天文學(xué)”。

        雖然央斯基并不是一位真正的天文學(xué)家(天文學(xué)家們當(dāng)時還沒有開始注意到“無線電”與天文的關(guān)系),他的工作也由于當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)大蕭條而沒有引起天文學(xué)界的足夠重視,但這畢竟是第一份射電天文學(xué)報告。為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn),射電天文學(xué)把射電信號的輻射強(qiáng)度單位命名為央斯基;2012年,美國國家射電天文臺的射電望遠(yuǎn)鏡“甚大陣”(出現(xiàn)在電影《超時空接觸》的海報上)也為向他致敬而重新命名為“卡爾·央斯基甚大陣”,并在旁邊復(fù)制了他當(dāng)時所用的天線。

        射電輻射強(qiáng)度“央斯基”這個單位之所以那么小,是因?yàn)樯潆姴ǖ哪芰糠浅7浅5汀雮€多世紀(jì)以來,全世界所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量尚翻不動一頁紙。

        另一位重要的射電天文學(xué)家是美國的格魯特·雷伯,他受到央斯基論文的啟發(fā),1937年在自家后院建立了口徑為9米的拋物線形金屬盤射電望遠(yuǎn)鏡,這是比央斯基的天線更先進(jìn)的技術(shù)。由于雷伯沒有參軍,得以在1941年-1943年繪制了全天射電亮度分布圖,其中首次記錄了天鵝座A和仙后座A兩個強(qiáng)輻射源。

        雷伯利用不同波段進(jìn)行全天測量,他發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。按照恒星這樣的發(fā)光能量分布(即黑體輻射),在射電波段,越往波長越長(頻率和能量越低)的方向,分配的能量應(yīng)該越少,也就是波長越長的射電波亮度應(yīng)該比較暗。但觀測結(jié)果恰好相反,長波亮度反而比較亮。

        其中的原因直到1950年代才得到解釋。原來還存在另外一種發(fā)光機(jī)制,叫“同步輻射”,即帶電粒子在運(yùn)動速度接近光速在電磁場中偏轉(zhuǎn)時,由于相對論效應(yīng),沿運(yùn)動的切線方向發(fā)出的一種電磁波輻射。因此這個觀測既證明宇宙中普遍存在磁場,而且在天上證明了相對論效應(yīng)。

        雷伯所用的射電望遠(yuǎn)鏡,后來被美國國家射電天文臺永久收藏,實(shí)際上,央斯基的天線也是雷伯主持復(fù)制的。這兩架形式不同的探測器見證了早期射電天文學(xué)發(fā)展的歷史,成為對兩位射電天文開創(chuàng)者最好的紀(jì)念。

        1960年代的四大發(fā)現(xiàn)

        就像央斯基無意中開辟了射電天文學(xué),在科學(xué)發(fā)展中總是出現(xiàn)許多意外的變數(shù)。對于射電(無線電)天文學(xué)來說,第二次世界大戰(zhàn)是一個重要的時間點(diǎn)。在二戰(zhàn)之前,只有少數(shù)幾位科學(xué)家注意到了射電天文學(xué)這個方向。二戰(zhàn)期間,為了應(yīng)對德軍的空襲,無線電科學(xué)家們被征召入伍,雷達(dá)技術(shù)獲得迅速的發(fā)展(雷達(dá)實(shí)際上就是“無線電/射電探測器”的縮寫音譯)。在此期間,科學(xué)家們對太陽和電離層進(jìn)行了深入研究。

        二戰(zhàn)之后,科學(xué)家們從戰(zhàn)場回到學(xué)校,利用在二戰(zhàn)期間發(fā)展起來的雷達(dá)技術(shù),歐美大學(xué)里紛紛建立研究射電天文學(xué)的科學(xué)小組,從而迎來射電天文學(xué)的大爆發(fā)。

        1950年代,劍橋大學(xué)的科學(xué)家馬丁·賴爾和安東尼·休伊什發(fā)展了利用地球自轉(zhuǎn)的口徑綜合技術(shù),同時期發(fā)展的還有干涉儀技術(shù),從而能夠克服早期望遠(yuǎn)鏡較小的困難,獲得相當(dāng)于數(shù)千米的“等效口徑”。到了1960年代,射電天文學(xué)取得了一系列重大的科學(xué)成功,尤其是被譽(yù)為“天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)”的類星體、脈沖星、微波背景輻射和星際有機(jī)分子,這些重大發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著“天體物理學(xué)”的成熟,成為現(xiàn)代天文學(xué)的主要研究領(lǐng)域,極大地促進(jìn)了天體和宇宙演化、生命起源等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

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