央斯基與射電波

◎文圖 中國科學院國家天文臺 郭紅鋒

前面我們講到了一系列天文望遠鏡的發展故事，都是指觀察可見光的光學望遠鏡。但宇宙輻射來的可見光線只占輻射頻率極窄的一部分（400納米至700納米），很多其他波段的輻射被地球表面的大氣屏蔽了，不能到達地面。不過，這是對地球生物的一種保護，因為許多輻射（例如紫外線，X射線等）對生命體是有害的。你知道嗎？有一種輻射不但對生命無害，還能讓我們探測到宇宙發射來的更多信息，那就是無線電波（或稱射電波）。

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神秘的宇宙電波

人類最早用振蕩電路制造出一類電波，通過天線把電波發射到空中，傳播到遠方。遠方的接收器可以通過天線和調制到同頻率的電路，接收到這些電波，從而建立起“無線電”通訊聯系。后來，人們發現宇宙中也存在這一類自然輻射的電波。

最早發現并辨識出宇宙輻射來的無線電波的人是美國貝爾電話公司工程師央斯基。他在20世紀30年代研究無線電短波通訊時，用他的接收天線無意間接收到一種奇怪的電波，這種電波每天重復出現，但周期不是我們生活中使用的太陽時間，而是與恒星出沒一致的恒星時間。后來，他知道那是來自銀河系中心的電磁輻射（無線電波段的信號）。這是人類第一次接收到來自宇宙空間的無線電波，從此開啟了一門全新的天文學研究領域——射電天文學。

圖2 央斯基和他的射電天線

射電望遠鏡

光學望遠鏡的感光單元是對光學波段敏感的眼鏡、底片或現代的CCD探測器件。射電望遠鏡接收的是天體輻射來的無線電波，眼鏡和光學器件是感受不到的，但使用對無線電波敏感的探測器，就可以獲得宇宙天體輻射來的無線電波段信息（強弱、方向、范圍等）。所以，從原理上說，天文望遠鏡的結構都差不多，只是接收不同波段的信息需要不同的探測器。

經典射電望遠鏡的基本原理與光學反射式望遠鏡相似，一般用反射面接收宇宙輻射來的無線電波，接收器（又稱饋源）安裝在主焦點處，就可以接收到匯聚來（增強了）的信號。

圖3 射電望遠鏡（來自美國國家射電天文臺）

射電天文發展

隨著射電望遠鏡的發展，其外形也出現了一些變化。例如，反射面和饋源固定在一起，可以全方位轉動的全轉動射電望遠鏡；主反射面固定而饋源移動的單一口徑球面射電望遠鏡；還有多個小射電望遠鏡排成一定形狀組成的陣列式射電望遠鏡等。

第二次世界大戰結束后，英國率先建立了用于天文觀測的射電天文望遠鏡。英國曼徹斯特大學于1946年建造了直徑為66.5米的固定式拋物面射電望遠鏡，1955年又建成了當時世界上最大的可轉動拋物面射電望遠鏡。

1963年，美國建造了當時最大的單孔徑固定式射電望遠鏡（阿雷西博望遠鏡，直徑305米），安裝在位于美國波多黎各島上的一座天然火山口（阿雷西沃山谷）當中，其口徑雄踞世界之首50多年，直到2016年才被中國建設的500米口徑球面射電望遠鏡超越。

圖4 阿雷西博望遠鏡

圖5 德國埃菲爾斯伯格射電望遠鏡

1972年，聯邦德國建造了當時世界上最大的全方向可轉動單天線射電望遠鏡（埃菲爾斯伯格射電望遠鏡，直徑102米）。這臺望遠鏡的觀測波段很寬，從90厘米到3毫米，其靈敏度和分辨率都很高，率先在毫米波段觀測到脈沖星的輻射，并且在射電星系、活動星系核、星際分子等方面的觀測中也有很多成果。

2000年，美國建造并投入使用了新一代全方向可轉動的射電望遠鏡（綠岸望遠鏡，100x110米蝶形天線），是目前世界上最大的全向可轉動射電望遠鏡，因安裝在美國西弗吉尼亞綠岸山區而得名。其天線為100x110米碟形，由2000多塊鋁制面板鑲嵌而成，每秒鐘所獲數據量近1G字節，主要用于宇宙寬頻帶的原子和分子光譜以及河外星系的研究。它被譽為先進的外星信號“發現者”，也是寄希望于它能接收到并甄別出地外高等智慧生物所發出來的無線電信號。

射電望遠鏡的發展同樣經歷了口徑不斷擴大、分辨率和靈敏度不斷提高的過程。射電天文學誕生較晚，但借助于近現代高科技的應用，發展非常迅猛。今天，我們既有口徑大到幾百米的單口徑射電望遠鏡，又有相對口徑（又稱等效口徑或基線，指望遠鏡之間的距離）達數千千米的射電望遠鏡陣。相信在不遠的將來，人類使用這些大規模的射電望遠鏡裝置能夠觀測到更深、更遠的宇宙信息，了解到更多、更豐富的宇宙運行機制和演化規律。

圖6 美國綠岸望遠鏡