許林玉 之 涵/編譯

尤里·科瓦廖夫談太空射電望遠鏡及相關(guān)發(fā)現(xiàn)

許林玉 之 涵/編譯

這部高達140英尺的望遠鏡位于西弗吉尼亞州格林班克，是美國國家射電天文臺的標志。它是世界上最大的赤道式望遠鏡，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)射太空射電望遠鏡Spektr-R（或稱為RadioAstron），用以收集驗證數(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，同時也是 RadioAstron太空干涉儀的項目科學(xué)家。RadioAstron太空干涉儀利用兩條光柱之間的干涉對遙遠的星系進行精確測量。在莫斯科物理與技術(shù)學(xué)院主辦的一次媒體邀請會上，他向《美國科學(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。我們認為：我們所在的銀河系中心存在黑洞，其質(zhì)量僅為太陽的幾百萬倍，但它并不是活動的。從某種意義上說，銀河系的中心不活動意味著：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星系核應(yīng)該有更大的黑洞，其質(zhì)量達到太陽的10億倍，并且有一個更大的吸積盤，塵埃和物質(zhì)會落在中心。在這些物質(zhì)中，大約有10%以非常狹窄的相對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。我們認為它們大體上是垂直的，而且確定有兩條。在相對論效應(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間比其他時間更為活躍。

問：在研究活動星系核的工作中，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制。此外，還有一個問題有待解決：它們是否是真的電子。一些科學(xué)家甚至認為，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目對此進行確認，那么這確實是一件很酷的事情；因為加速質(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星系核？

答：過去，我利用位于俄羅斯的兩部地面望遠鏡研究活動星系核。我們有世界上最大的射電望遠鏡RATAN-600，其直徑達到600米。后來，我經(jīng)常使用世界各地（如美國和歐洲）的望遠鏡。當研究共同體推出這個巨大的工具 （我們將其稱作干涉儀）時，對活動星系核的研究必定會成為國際項目。

甚長基線干涉測量（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鏡的數(shù)據(jù)對源自類星體等天文射電源的信號進行分析。像大多數(shù)情況一樣，首次測量由美國科學(xué)家完成，這也是美俄攜手完成的首批洲際實驗之一。美國科學(xué)家建議列別捷夫物理研究所開展一項合作實驗，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)普希諾的兩部望遠鏡。蘇聯(lián)方面回復(fù)稱這是一個好主意，但建議我們利用另一部位于克里米亞的望遠鏡。也正因如此，你才得以來到這里。

當時正值冷戰(zhàn)中期，是真正的困難時期，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人相同。后來，人們才了解到：當時為什么不支持在美國和普希諾之間開展實驗，那是因為當你進行實驗時，能夠測量出望遠鏡所在的位置，精度達到1厘米左右。而在冷戰(zhàn)中期，要在莫斯科附近獲得精度達到1厘米的參考點是絕對不可能的。實驗不得不轉(zhuǎn)至克里米亞進行。即使在這段非常困難的時期，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)希夷昧艘话厌撱^，提著提籃，雄糾糾氣昂昂地奔赴“戰(zhàn)場”。

問：您的項目是如何誕生的？

答：RadioAstron最初構(gòu)想于蘇聯(lián)時期，是當時最大的望遠鏡，它將無線衛(wèi)星與眾多地面天文臺聯(lián)結(jié)為一體。20世紀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，該項目與蘇聯(lián)一道經(jīng)歷了所有的困難時期。它于20世紀90年代開始實施，并且?guī)缀跻呀?jīng)準備進入太空，但后來隨同這個國家一起分崩離析。之后，我們不得不從頭再來，并在2004開始重新啟動。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年初開始運行。它的運行基于所謂的天空開放政策，所以任何人都可以申請和我們一起觀測，包括我們的美國同事，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。它是俄羅斯在21世紀第一艘進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（即望遠鏡）展開。望遠鏡基座上的圓環(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)，但我們在地面上沒有得到來自探測器的確認花瓣已經(jīng)成功展開的信息。嘗試幾個小時后仍然沒有什么改變。后來，拉沃契金的研究人員估計和認識到它只展開了幾厘米。這意味著這項任務(wù)已經(jīng)結(jié)束。幾厘米是不夠的，因為我們要構(gòu)建一個精度達到1毫米的拋物線結(jié)構(gòu)。

他們意識到在望遠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，他們回來進行了又一次遙測。他們再次命令望遠鏡展開，這一次成功了。我們從所有傳感器上得到了確認信息。之后它被固定下來，一直工作至今。

問：那一定是一個激動人心的時刻。您當時在現(xiàn)場嗎？

答：我當時正在拉沃契金直播的視頻會議上觀看。那是2011年7月的一個星期五，對此我永生難忘。

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，還有一個對我們來說非常獨特、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，因為我們在衛(wèi)星上搭載了一個非常精確的原子鐘。每隔9天（繞行橢圓軌道一圈的時間）衛(wèi)星上的時鐘就要通過一次與地面時鐘不同的引力勢。由于時間會隨觀測者離引力質(zhì)量的距離而變化，所以，衛(wèi)星上的時鐘會快慢不同。愛因斯坦的廣義相對論對時鐘如何變化進行了預(yù)測，所以，我們可以通過比較其預(yù)測結(jié)果和我們在衛(wèi)星上實際看到的情況來檢驗這一理論。

問：您對活動星系核有怎樣的了解？

答：關(guān)于類星體，我們認為：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，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，其噴射就會非常明亮。然而，由于該過程會降至低能態(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，類星體的亮度會因為這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)對這一理論預(yù)測進行了檢驗，并證明它實際上是錯誤的。我們發(fā)現(xiàn)類星體的亮度至少10倍于該理論預(yù)測的亮度。這的確令人興奮，因為在科學(xué)家的生活中，沒有什么比證明理論錯了更有趣。

問：人們有時不太欣賞科學(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)通過證明某個理論是錯誤而運行。通過證明這一點，理論才得以發(fā)展和理解周圍的自然。其中的一種解釋是：這些都不是相對論性電子而是相對論性質(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，如果這些是相對論性質(zhì)子，我們的問題就將迎刃而解。但還有一個更大的問題——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論性質(zhì)子。

問：您實現(xiàn)了任務(wù)的預(yù)期目標嗎？

答：我們認為我們實現(xiàn)了此項任務(wù)的主要科學(xué)目標。但是，大約在一個月前，我們收集到了這項任務(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，因為我們的初步結(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)的期限正式延長至2018年底。

問：這項任務(wù)已經(jīng)達到了5年的預(yù)期壽命，但還會延長一段時間。下一步做什么？

答：我們確實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到的成就。我們將使用事件地平線望遠鏡（EHT）一起工作。EHT是一部陸基望遠鏡，自2012年起開始投入使用，有望在今年晚些時候獲取第一張銀河系中心的圖片。

考慮到更長遠的未來，我們目前正在為毫米波天文臺(Millimetronobservatory)制定任務(wù)計劃，該天文臺可檢測毫米和亞毫米波段的信號。該天文臺類似于活躍于2009年至2013年間的赫歇爾空間天文臺 (HerschelSpaceObservatory)，其分辨率會比RadioAstron更好。

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

[資料來源：AmericanScientist][責任編輯：岳 峰]