許林玉 之 涵/編譯

尤里·科瓦廖夫談太空射電望遠(yuǎn)鏡及相關(guān)發(fā)現(xiàn)

許林玉 之 涵/編譯

這部高達(dá)140英尺的望遠(yuǎn)鏡位于西弗吉尼亞州格林班克，是美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)的標(biāo)志。它是世界上最大的赤道式望遠(yuǎn)鏡，目前接收來自俄制Spektr-R衛(wèi)星的數(shù)據(jù)

● 數(shù)十年來，物理學(xué)家一直在尋找黑洞存在的直接證據(jù)。2011年，俄羅斯成功發(fā)射太空射電望遠(yuǎn)鏡Spektr-R（或稱為RadioAstron），用以收集驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

尤里·科瓦廖夫（YuriKovalev）是位于莫斯科的俄羅斯科學(xué)院列別捷夫物理研究所的物理學(xué)家，同時(shí)也是 RadioAstron太空干涉儀的項(xiàng)目科學(xué)家。RadioAstron太空干涉儀利用兩條光柱之間的干涉對(duì)遙遠(yuǎn)的星系進(jìn)行精確測(cè)量。在莫斯科物理與技術(shù)學(xué)院主辦的一次媒體邀請(qǐng)會(huì)上，他向《美國(guó)科學(xué)家》雜志特約記者布萊恩·馬洛（BrianMalow）介紹了他的研究。

問：您在天體物理學(xué)領(lǐng)域的具體研究方向是什么？

答：我正在研究活動(dòng)星系核。這類星系類似于我們所在的銀河系，但距離我們有數(shù)十億光年，在它們的中心存在特大質(zhì)量黑洞。我們認(rèn)為：我們所在的銀河系中心存在黑洞，其質(zhì)量?jī)H為太陽的幾百萬倍，但它并不是活動(dòng)的。從某種意義上說，銀河系的中心不活動(dòng)意味著：沒有太多物質(zhì)落入其中，沒有從中心噴射的極熱的等離子體。被稱為類星體的活動(dòng)星系核應(yīng)該有更大的黑洞，其質(zhì)量達(dá)到太陽的10億倍，并且有一個(gè)更大的吸積盤，塵埃和物質(zhì)會(huì)落在中心。在這些物質(zhì)中，大約有10%以非常狹窄的相對(duì)論性噴流的形式向外噴射。

問：這些噴流是像兩根輻條一樣垂直于吸積盤而噴出？

答：是的。我們認(rèn)為它們大體上是垂直的，而且確定有兩條。在相對(duì)論效應(yīng)的作用下，我們通常只能看到其中的一條，而朝向我們的那一條看起來要亮很多。在我們看來，銀河系中心在某段時(shí)間比其他時(shí)間更為活躍。

問：在研究活動(dòng)星系核的工作中，真正令你感興趣的是什么？

答：我所感興趣的是：活動(dòng)星系核中心發(fā)生了什么，這些噴流如何形成和噴射出來。我們認(rèn)為這些噴流由速度極快的電子組成。這些電子在星系中心加速，然后以近似于光的速度噴出。我們希望能夠弄清楚它們的噴射機(jī)制。此外，還有一個(gè)問題有待解決：它們是否是真的電子。一些科學(xué)家甚至認(rèn)為，這些物質(zhì)可能是質(zhì)子。如果是質(zhì)子，并且我們通過這一項(xiàng)目對(duì)此進(jìn)行確認(rèn)，那么這確實(shí)是一件很酷的事情；因?yàn)榧铀儋|(zhì)子比電子要復(fù)雜2000倍，質(zhì)子的質(zhì)量是電子的2000倍。

問：在 RadioAstron發(fā)射之前，您和您的同事如何研究活動(dòng)星系核？

答：過去，我利用位于俄羅斯的兩部地面望遠(yuǎn)鏡研究活動(dòng)星系核。我們有世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡RATAN-600，其直徑達(dá)到600米。后來，我經(jīng)常使用世界各地（如美國(guó)和歐洲）的望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)研究共同體推出這個(gè)巨大的工具 （我們將其稱作干涉儀）時(shí)，對(duì)活動(dòng)星系核的研究必定會(huì)成為國(guó)際項(xiàng)目。

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）的設(shè)想是俄羅斯科學(xué)家列昂尼德·馬特維恩科（LeonidMatveenko）、尼古拉·卡爾達(dá)舍夫（NikolaiKardashev）和根納季·索羅米特斯基（GennadySholomitskii）共同提出的。VLBI利用來自多部射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)對(duì)源自類星體等天文射電源的信號(hào)進(jìn)行分析。像大多數(shù)情況一樣，首次測(cè)量由美國(guó)科學(xué)家完成，這也是美俄攜手完成的首批洲際實(shí)驗(yàn)之一。美國(guó)科學(xué)家建議列別捷夫物理研究所開展一項(xiàng)合作實(shí)驗(yàn)，使用位于西弗吉尼亞州格林班克和莫斯科地區(qū)南部小鎮(zhèn)普希諾的兩部望遠(yuǎn)鏡。蘇聯(lián)方面回復(fù)稱這是一個(gè)好主意，但建議我們利用另一部位于克里米亞的望遠(yuǎn)鏡。也正因如此，你才得以來到這里。

當(dāng)時(shí)正值冷戰(zhàn)中期，是真正的困難時(shí)期，而美方人員剛剛過來。但令人鼓舞的是：他們發(fā)現(xiàn)俄羅斯人在很多方面都與美國(guó)人相同。后來，人們才了解到：當(dāng)時(shí)為什么不支持在美國(guó)和普希諾之間開展實(shí)驗(yàn)，那是因?yàn)楫?dāng)你進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，能夠測(cè)量出望遠(yuǎn)鏡所在的位置，精度達(dá)到1厘米左右。而在冷戰(zhàn)中期，要在莫斯科附近獲得精度達(dá)到1厘米的參考點(diǎn)是絕對(duì)不可能的。實(shí)驗(yàn)不得不轉(zhuǎn)至克里米亞進(jìn)行。即使在這段非常困難的時(shí)期，天文學(xué)和天體物理學(xué)仍然是我們共同探討的為數(shù)不多的話題之一。由此看來，我們現(xiàn)在討論的所有話題都源自多年前的冷戰(zhàn)時(shí)期。

暑假里，我決定去河坡挖砂礓。父母很驚訝，但旋即明白了。祖父不干了：天太熱，人小，挖那干什么啊？”我的犟勁兒上來了，一定要去。母親拿來一頂草帽，灌了一壺涼水，給我?guī)?，我拿了一把釗鉤，提著提籃，雄糾糾氣昂昂地奔赴“戰(zhàn)場(chǎng)”。

問：您的項(xiàng)目是如何誕生的？

答：RadioAstron最初構(gòu)想于蘇聯(lián)時(shí)期，是當(dāng)時(shí)最大的望遠(yuǎn)鏡，它將無線衛(wèi)星與眾多地面天文臺(tái)聯(lián)結(jié)為一體。20世紀(jì)80年代早期，蘇聯(lián)共產(chǎn)黨總書記勃列日涅夫發(fā)布了它的第一份官方聲明。顯然，該項(xiàng)目與蘇聯(lián)一道經(jīng)歷了所有的困難時(shí)期。它于20世紀(jì)90年代開始實(shí)施，并且?guī)缀跻呀?jīng)準(zhǔn)備進(jìn)入太空，但后來隨同這個(gè)國(guó)家一起分崩離析。之后，我們不得不從頭再來，并在2004開始重新啟動(dòng)。2011年，我們用一顆俄羅斯-烏克蘭聯(lián)合制造的火箭在拜科努爾將其發(fā)射，并從2012年初開始運(yùn)行。它的運(yùn)行基于所謂的天空開放政策，所以任何人都可以申請(qǐng)和我們一起觀測(cè)，包括我們的美國(guó)同事，而他們也的確這樣做了。

帶有一根折疊主天線的Spektr-R發(fā)射前在俄羅斯希姆基的拉沃契金研究生產(chǎn)聯(lián)合體接受檢測(cè)。它是俄羅斯在21世紀(jì)第一艘進(jìn)入軌道的天體物理學(xué)宇宙飛船

問：發(fā)射和安裝該衛(wèi)星的過程是怎樣的？

答：我們制作了一朵由27片花瓣組成的“花”，它們被一起放在地面上，剛好與直徑為3米的火箭吻合。在發(fā)射5天之后，衛(wèi)星的花瓣展開，但仍然存在不少問題。

發(fā)射之后，拉沃契金研究生產(chǎn)聯(lián)合體命令宇宙飛船（即望遠(yuǎn)鏡）展開。望遠(yuǎn)鏡基座上的圓環(huán)開始旋轉(zhuǎn)和拉開這些花瓣。10分鐘后圓環(huán)停止旋轉(zhuǎn)，但我們?cè)诘孛嫔蠜]有得到來自探測(cè)器的確認(rèn)花瓣已經(jīng)成功展開的信息。嘗試幾個(gè)小時(shí)后仍然沒有什么改變。后來，拉沃契金的研究人員估計(jì)和認(rèn)識(shí)到它只展開了幾厘米。這意味著這項(xiàng)任務(wù)已經(jīng)結(jié)束。幾厘米是不夠的，因?yàn)槲覀円獦?gòu)建一個(gè)精度達(dá)到1毫米的拋物線結(jié)構(gòu)。

他們意識(shí)到在望遠(yuǎn)鏡基座中可能存在溫度梯度，于是讓基座旋轉(zhuǎn)，這樣太陽就能照射在望遠(yuǎn)鏡的基座上，從而滿足基座中殘留的溫度梯度要求。一天后，他們回來進(jìn)行了又一次遙測(cè)。他們?cè)俅蚊钔h(yuǎn)鏡展開，這一次成功了。我們從所有傳感器上得到了確認(rèn)信息。之后它被固定下來，一直工作至今。

問：那一定是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。您當(dāng)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)嗎？

答：我當(dāng)時(shí)正在拉沃契金直播的視頻會(huì)議上觀看。那是2011年7月的一個(gè)星期五，對(duì)此我永生難忘。

問：RadioAstron的任務(wù)是什么？

2011年7月18日，俄羅斯-烏克蘭聯(lián)合制造的天頂-3F火箭搭載Spektr-R衛(wèi)星在哈薩克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射

答：我們正在研究太空中不同種類的物體。首先是活動(dòng)星系核或類星體，其次是脈沖星，即銀河系中死亡的中子星。我們利用它們來研究銀河系中的星際介質(zhì)和無線電波的散射。第三種是所謂的脈澤，這些是水蒸氣形成的云，存在于銀河系中誕生行星和恒星的區(qū)域，也見于其他星系的吸積盤中。除此之外，還有一個(gè)對(duì)我們來說非常獨(dú)特、非常重要的物體，它位于我們所在星系的中心，擁有屬于自己的故事。

我們還嘗試做一些關(guān)于引力天文學(xué)方面的研究，因?yàn)槲覀冊(cè)谛l(wèi)星上搭載了一個(gè)非常精確的原子鐘。每隔9天（繞行橢圓軌道一圈的時(shí)間）衛(wèi)星上的時(shí)鐘就要通過一次與地面時(shí)鐘不同的引力勢(shì)。由于時(shí)間會(huì)隨觀測(cè)者離引力質(zhì)量的距離而變化，所以，衛(wèi)星上的時(shí)鐘會(huì)快慢不同。愛因斯坦的廣義相對(duì)論對(duì)時(shí)鐘如何變化進(jìn)行了預(yù)測(cè)，所以，我們可以通過比較其預(yù)測(cè)結(jié)果和我們?cè)谛l(wèi)星上實(shí)際看到的情況來檢驗(yàn)這一理論。

問：您對(duì)活動(dòng)星系核有怎樣的了解？

答：關(guān)于類星體，我們認(rèn)為：我們非常了解其中的噴流如何發(fā)射非常明亮的輻射的理論。根據(jù)該理論的預(yù)測(cè)，這些類星體的內(nèi)核的亮度無法超越某一水平。例如，如果你從中心的超級(jí)黑洞及其周圍將一滴熱的等離子體（即高能電子）注入噴流，其噴射就會(huì)非常明亮。然而，由于該過程會(huì)降至低能態(tài)，這些電子很快就失去能量。

在所謂的逆康普頓過程中，電子發(fā)射光子，由于電子發(fā)射許多光子，所以光子會(huì)擊中其他光子。電子擊中光子的概率也較高，導(dǎo)致電子失去能量。根據(jù)預(yù)測(cè)，類星體的亮度會(huì)因?yàn)檫@類碰撞而無法超過某一限度，這一結(jié)果被稱為康普頓災(zāi)難。

我們已經(jīng)對(duì)這一理論預(yù)測(cè)進(jìn)行了檢驗(yàn)，并證明它實(shí)際上是錯(cuò)誤的。我們發(fā)現(xiàn)類星體的亮度至少10倍于該理論預(yù)測(cè)的亮度。這的確令人興奮，因?yàn)樵诳茖W(xué)家的生活中，沒有什么比證明理論錯(cuò)了更有趣。

問：人們有時(shí)不太欣賞科學(xué)家希望理論被推翻的想法。

答：讓我來告訴你吧，理論家對(duì)此是喜聞樂見。這是科學(xué)工作的方式，科學(xué)通過證明某個(gè)理論是錯(cuò)誤而運(yùn)行。通過證明這一點(diǎn)，理論才得以發(fā)展和理解周圍的自然。其中的一種解釋是：這些都不是相對(duì)論性電子而是相對(duì)論性質(zhì)子。由于質(zhì)子比電子重2000倍，所以其亮度的上限要高得多。從原理上說，如果這些是相對(duì)論性質(zhì)子，我們的問題就將迎刃而解。但還有一個(gè)更大的問題——如何使它們加速？我們不知道如何使質(zhì)子加速，使其變成速度與光速非常接近的相對(duì)論性質(zhì)子。

問：您實(shí)現(xiàn)了任務(wù)的預(yù)期目標(biāo)嗎？

答：我們認(rèn)為我們實(shí)現(xiàn)了此項(xiàng)任務(wù)的主要科學(xué)目標(biāo)。但是，大約在一個(gè)月前，我們收集到了這項(xiàng)任務(wù)的最后一輪建議，而且建議的數(shù)量有所增加。

需求甚至比之前更大，因?yàn)槲覀兊某醪浇Y(jié)果已經(jīng)證明在極端分辨率情況下宇宙研究的潛力。RadioAstron已經(jīng)證明可用于眾多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，俄羅斯聯(lián)邦航天局已經(jīng)將該任務(wù)的期限正式延長(zhǎng)至2018年底。

問：這項(xiàng)任務(wù)已經(jīng)達(dá)到了5年的預(yù)期壽命，但還會(huì)延長(zhǎng)一段時(shí)間。下一步做什么？

答：我們確實(shí)希望能夠穿過星際的迷霧見到銀河系的中心，這是我們至今尚未達(dá)到的成就。我們將使用事件地平線望遠(yuǎn)鏡（EHT）一起工作。EHT是一部陸基望遠(yuǎn)鏡，自2012年起開始投入使用，有望在今年晚些時(shí)候獲取第一張銀河系中心的圖片。

考慮到更長(zhǎng)遠(yuǎn)的未來，我們目前正在為毫米波天文臺(tái)(Millimetronobservatory)制定任務(wù)計(jì)劃，該天文臺(tái)可檢測(cè)毫米和亞毫米波段的信號(hào)。該天文臺(tái)類似于活躍于2009年至2013年間的赫歇爾空間天文臺(tái) (HerschelSpaceObservatory)，其分辨率會(huì)比RadioAstron更好。

宇宙中的一切都將會(huì)更加透明，會(huì)有更少的散射和吸收。這將幫助我們認(rèn)識(shí)銀河系中心和其他星系中心的中心超大質(zhì)量黑洞，如果屆時(shí)人類仍未觀測(cè)到的話。

[資料來源：AmericanScientist][責(zé)任編輯：岳 峰]