編譯 喬琦

如果請?zhí)煳膶W(xué)家挑選出天文學(xué)史上最令人激動的一張照片，那么他們中的很多人都會選擇你常常能見到的那個橙色環(huán)。乍看之下，這張照片似乎也沒什么了不起——無非就是一個底部微微隆起的模糊發(fā)光的甜甜圈，2021年3月的時候還加上了一些曲線細(xì)節(jié)——但實(shí)際上，這個不起眼的圓圈是人類第一次窺見黑洞，它的顏色并不是黑洞的真實(shí)顏色，而是反映了黑洞本身及其周圍的射電輻射強(qiáng)度。

這張照片的清晰度非常高，就相當(dāng)于身處華盛頓特區(qū)卻看清了遠(yuǎn)在洛杉磯的一枚硬幣上的日期。照片中的橙色環(huán)其實(shí)是一個5 500萬光年之外、質(zhì)量相當(dāng)于65億個太陽的黑洞。照片中的微小細(xì)節(jié)則表明，這個黑洞正在順時針轉(zhuǎn)動，并且每年都要消耗相當(dāng)于上千個地球質(zhì)量的物質(zhì)。而那些最近剛添上去的曲線則是強(qiáng)磁場的特征。

黑洞無疑是整個物理學(xué)領(lǐng)域最為神秘的物體之一，而這張史無前例的黑洞照片則是射電天文學(xué)為我們帶來的諸多發(fā)現(xiàn)中的最新作品。這張著名照片背后的科學(xué)內(nèi)涵足以令人震驚，但讓其成為可能的這門科學(xué)本身也同樣令人印象深刻。正是因?yàn)橛辛松潆娞煳膶W(xué)，全世界的天文學(xué)研究者才能以一種全新的方式協(xié)同工作，一道研究宇宙的奧秘。

卡爾·央斯基利用一架昵稱叫作“央斯基的旋轉(zhuǎn)木馬”的巨大天線在偶然間發(fā)現(xiàn)了宇宙射電信號

射電波段位于電磁譜的一端，那兒的電磁波攜帶的能量都比較低。人類探測到的第一批射電波是在19世紀(jì)末通過人工手段由帶電加速粒子產(chǎn)生的。射電波（無線電波）調(diào)制簡單，且波長較長，可以不受干擾地傳播很遠(yuǎn)的距離，因此，人類發(fā)現(xiàn)射電波后，就立刻意識到它是極好的通信工具。20世紀(jì)初，物理學(xué)家知曉了像閃電這樣的自然現(xiàn)象也會產(chǎn)生射電波。不過，這類射電波在大多數(shù)情況下都是我們想要剔除的“噪聲”，因?yàn)橹挥邪炎匀划a(chǎn)生的射電波除去，我們才能提升無線電通信技術(shù)的分辨力、功率和覆蓋范圍。

1931年，卡爾·央斯基（Karl Jansky）正是在朝著這個目標(biāo)努力的過程中偶然發(fā)現(xiàn)了“天體射電噪聲”。物理學(xué)家央斯基當(dāng)時也是貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師，他設(shè)計(jì)了一個寬100英尺（約合30米）、高20英尺（約合6米）的巨大天線陣列，并將其安放在幾輛福特T型車底座上，這樣就能讓天線自由轉(zhuǎn)動并指向空中的所有方向。同事給這個裝置起了個昵稱，叫作“央斯基的旋轉(zhuǎn)木馬”。

央斯基使用這架天線開展工作后，發(fā)現(xiàn)收集到的數(shù)據(jù)中始終有一個微弱的噪聲。央斯基憑借旋轉(zhuǎn)木馬的機(jī)動性追蹤了這個噪聲的源頭，并且最終確定了它的位置：天線收集到的射電噪聲并不是附近的雷暴，也不是地表附近的零星噪聲源——它探測到的是來自銀河系中心的能量。

央斯基的發(fā)現(xiàn)勾起了主流天文學(xué)界的好奇心，但反響并不算熱烈。由于正值大蕭條時期，各大天文臺都不愿意把本就有限的資金投入未來不明的新技術(shù)領(lǐng)域。不過，一位名叫格羅特·雷伯（Grote Reber）的科學(xué)家兼工程師認(rèn)為央斯基的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)很有意思，并且立志要把自己的整個職業(yè)生涯都拿來研究這個來自宇宙空間的射電信號。在申請貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作被拒后，雷伯決定在伊利諾伊的自家后院建一個屬于自己的射電望遠(yuǎn)鏡：主體是一個直徑31英尺（約合9.45米）的拋物面，上方直接裝有射電波接收器。

1988年，站在西弗吉尼亞格林班克雷伯天線前的格羅特·雷伯

雷伯的努力取得了巨大成功，他不僅重復(fù)了央斯基的發(fā)現(xiàn)，還繪制了人類第一幅全天射電圖。此外，他還發(fā)現(xiàn)了一些明亮的射電發(fā)射源。我們后來才證實(shí)，它們是遙遠(yuǎn)的星系和近期爆發(fā)的超新星留下的遺跡。1940年，雷伯在《天體物理學(xué)期刊》（TheAstrophysical Journal）上發(fā)表了文章，他的工作也勾起了天文學(xué)界對射電觀測更廣泛的興趣。

射電這種波長較長的電磁波為天文學(xué)家打開了一扇觀測宇宙的全新窗戶。通過射電望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家就能探測到遙遠(yuǎn)的昏暗熱源發(fā)出的射電輻射，還能以之前從未想到過的極端方法觀測有關(guān)加速帶電粒子的奇異物理學(xué)。射電望遠(yuǎn)鏡率先發(fā)現(xiàn)了“脈沖星”——那是一種快速轉(zhuǎn)動著的致密天體，它們是大質(zhì)量恒星死亡后的遺跡，率先發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射（攜帶著大爆炸信息的宇宙“光”），率先發(fā)現(xiàn)了星系（包括我們所在的銀河系）中心都存在超大質(zhì)量黑洞的蛛絲馬跡。值得一提的是，央斯基當(dāng)年收到的來自銀河系中心的噪聲很有可能就是那個地方的超大質(zhì)量黑洞發(fā)出的。所有這些現(xiàn)象要是只在可見光波段觀測，顯然都不會有什么成果。

射電天文學(xué)取得的科學(xué)成果令人驚嘆，但對于習(xí)慣了擁有閃亮鏡面的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的人來說，射電望遠(yuǎn)鏡就顯得很是奇怪了。不過，考慮到射電波那么長的波長，那么射電望遠(yuǎn)鏡反射面的這個大盤子其實(shí)也足夠“閃亮”，足以將從天上收集到的射電波反射到接收器中，這個過程和普通光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的鏡面將可見光反射到目鏡中并沒有什么兩樣。此外，射電望遠(yuǎn)鏡遵循的原理也和普通光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一致：一樣都是口徑越大性能越優(yōu)秀，一樣都是放在昏暗的地方（消除地面光源的干擾）觀測才能更高效地工作。

位于波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡在2020年垮塌之前，始終是全球最大的射電望遠(yuǎn)鏡之一

望遠(yuǎn)鏡鏡面越大，我們就能收集到越多的光線，也就能觀測本身更加昏暗的天體（想象一下你身處黑暗房間中瞳孔放大時的情景）。此外，望遠(yuǎn)鏡的焦距越長，我們拍出的照片就越加清晰（想象一下身在場館邊線的體育賽事攝影師為捕捉清晰動態(tài)畫面而使用的長焦鏡頭）。高清晰度常常是天文學(xué)研究中的關(guān)鍵目標(biāo)，因?yàn)橛辛烁咔逦龋覀儾拍軠?zhǔn)確找到遙遠(yuǎn)星系中的各個恒星，才能準(zhǔn)確繪制星云的形狀，而射電天文學(xué)研究的是電磁譜中的長波波段，這就給我們提供了另一種建造大型望遠(yuǎn)鏡的方式。射電望遠(yuǎn)鏡的有效口徑可以大到令人咋舌的程度，這多虧了一種叫作“干涉”的技術(shù)，也即將諸多由小射電望遠(yuǎn)鏡組成的觀測陣列收集到的數(shù)據(jù)匯總到一起，從而達(dá)到單架超大望遠(yuǎn)鏡的觀測效果，進(jìn)而為天文學(xué)家繪制出超高清晰度的圖像。

干涉測量學(xué)是一門令人望而生畏的學(xué)科，但它也給人類帶來了極有意義的成果——正是憑借這項(xiàng)技術(shù)，事件視界望遠(yuǎn)鏡才得以將分布于視界各地的8座射電天文臺統(tǒng)一起來，形成一架觀測效果相當(dāng)于整個地球的巨型望遠(yuǎn)鏡，從而拍攝到這張著名的黑洞照片。

因此，“大”顯然是射電望遠(yuǎn)鏡能夠做到的。那么，“暗”呢？解決這個問題的難度就要高多了。諷刺的是，央斯基的最初目標(biāo)——過濾掉自然界中的射電波源，從而為通信技術(shù)的發(fā)展掃除障礙——現(xiàn)在已經(jīng)徹底反轉(zhuǎn)：射電天文學(xué)家如今正在現(xiàn)代電子學(xué)時代通過這些自然射電波源研究整個宇宙。如果你的眼睛能夠看到射電波，那么你所在的房間中就會顯現(xiàn)出一大堆令人眼花繚亂的射電信號：無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的射電波足以形成云狀，附近手機(jī)的零星閃光也能發(fā)出射電波，甚至路過汽車的火花塞產(chǎn)生的微小火光也有射電波相伴而生。

要想阻止這些稀奇古怪的射電波淹沒來自宇宙的數(shù)據(jù)，一種方法是限制望遠(yuǎn)鏡附近的人工射電信號。實(shí)際上，西弗吉尼亞的格林班克天文臺就是這么做的。這座天文臺位于美國國家無線電靜默區(qū)深處。為了把射電噪聲降到最低，無線電靜默區(qū)嚴(yán)格限制了相關(guān)技術(shù)的使用，比如：禁止使用無線網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)和微波設(shè)備，且在這一地區(qū)內(nèi)行駛的所有車輛都使用柴油發(fā)動機(jī)。（即便如此，此地的研究人員還是曾經(jīng)因?yàn)樯潆姼蓴_而失去寶貴的觀測時間。當(dāng)時產(chǎn)生干擾的是一群在叢林間飛躍的松鼠。附近的一項(xiàng)保護(hù)研究為了掌握有關(guān)松鼠遷徙習(xí)慣的資料而給這些嚙齒動物戴上了GPS項(xiàng)圈。）構(gòu)成事件視界望遠(yuǎn)鏡的各座天文臺散布在全球各處，但所有地點(diǎn)都有一個共同點(diǎn)——無論是南極，還是阿塔卡瑪沙漠，抑或是夏威夷最高山峰——那就是都位于極其偏僻的地方，盡可能地遠(yuǎn)離人類不斷發(fā)出的射電噪聲。

人類掌握的新技術(shù)不斷增加著射電噪聲的影響范圍，這點(diǎn)無疑令人沮喪，但同時，這也帶來了一種誘人的可能性：我們是否會在未來的某一天觀測到不是我們自己產(chǎn)生的人工射電波？

坐落于美國國家無線電靜默區(qū)深處的西弗吉尼亞格林班克望遠(yuǎn)鏡。這一地區(qū)禁止使用某些設(shè)備，以保證從宇宙中收到的射電信號不會受到干擾

一直以來，天文學(xué)界始終把射電天文學(xué)看作搜尋其他世界信號的絕佳方式。實(shí)際上，第一項(xiàng)射電天文學(xué)實(shí)驗(yàn)可以追溯到比央斯基收到銀河系中心信號更早的1924年8月。當(dāng)時，火星來到了近100年內(nèi)離地球最近的位置。美國天文學(xué)家趁此機(jī)會為“國家無線電靜默日”做宣傳，呼吁大家在固定的時間間隔內(nèi)停用無線電設(shè)備，以便接收鄰居“火星人”發(fā)出的無線電信號。美國海軍天文臺甚至往一艘飛艇里發(fā)射了一個無線電接收器，為的就是收集潛在的火星人訊息，同時還專門配備了一位密碼學(xué)家以便隨時破譯這些信息。

如今，地外文明搜索行動（SETI）已經(jīng)是一項(xiàng)正式的科學(xué)項(xiàng)目了。在弗蘭克·德雷克（Frank Drake）和吉爾·塔特（Jill Tarter）等著名科學(xué)家的帶領(lǐng)下，SETI項(xiàng)目研究者通過使用加州艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列等難得的設(shè)備，擁有了在射電領(lǐng)域作出驚人發(fā)現(xiàn)的可能。畢竟，我們在地球上為遠(yuǎn)距離通信而使用的無線電波同樣也會向外傳播，也即向整個宇宙廣播我們的文明擁有相當(dāng)程度技術(shù)的能力。同樣地，遠(yuǎn)方的文明也完全有可能發(fā)出類似的信號，甚至是有目的地傳遞這些信息，因?yàn)樗麄兪褂玫碾姶抛V和我們并沒有任何不同。

毫無疑問，射電天文學(xué)為我們帶來了無限可能：有了它，我們就能看到遙遠(yuǎn)黑洞中本來完全看不見的內(nèi)容，就能打開全新物理學(xué)的大門，甚至可能發(fā)現(xiàn)第一件有關(guān)地外文明的證據(jù)。雖然在外行人看來，射電望遠(yuǎn)鏡或許在外觀上有些滑稽，但它們卻是天文學(xué)研究中的無價之寶，無論是過去、現(xiàn)在還是未來，它們都會不懈地為我們揭開一個又一個宇宙之謎。

資料來源QuantaMagazine