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早期的射电天文学

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早期的射电天文学

1930年代,美国贝尔实验室在开展跨大西洋无线电话业务时,想调查一下短波(频率3兆赫-30兆赫)存在哪些可能的干扰源,于是指派了一位工程师卡尔·央斯基(Karl Jansky)来做这份工作。
  央斯基为此建造一架天线探测20.5兆赫无线电波(波长14.6米),它架在一个桌面上,桌面下面安装了四个轮胎的驱动系统,从而可以探测任意方向的信号源。当时他的同事们把这个装置称为“央斯基的旋转木马”。
  工作了几个月之后,央斯基把干扰信号源分成了三类:近处的雷暴、远方的雷暴,以及一种未知的微弱稳定信号源。他又花了一年时间来调查这第三种干扰源的性质。
  他一开始发现干扰源最强的位置每天升起落下一次,使他以为信号来自太阳。经过几个月跟踪之后,信号源与太阳分开了,这时央斯基也发现,信号重复的周期不是24小时,而是23小时56分,这是地球相对于恒星自转的周期。经过与天文图像对比,他确认这些无线电辐射来自银河系,信号最强的方向正好是在人马座方向,这里是银河系的中心所在。
  这份报告在1933年出版,并在5月5日的《纽约时报》上做了报道。央斯基向贝尔实验室申请建造一架灵敏度更高的天线,进行更仔细的测量,但贝尔实验室认为既然这些信号源不足干扰洲际无线电通信,因此给央斯基指派了其他的工作,从此无线电工程师央斯基告别了他无意中开辟的“射电天文学”。
  虽然央斯基并不是一位真正的天文学家(天文学家们当时还没有开始注意到“无线电”与天文的关系),他的工作也由于当时的经济大萧条而没有引起天文学界的足够重视,但这毕竟是第一份射电天文学报告。为了纪念他的贡献,射电天文学把射电信号的辐射强度单位命名为央斯基;2012年,美国国家射电天文台的射电望远镜“甚大阵”(出现在电影《超时空接触》的海报上)也为向他致敬而重新命名为“卡尔·央斯基甚大阵”,并在旁边复制了他当时所用的天线。
  射电辐射强度“央斯基”这个单位之所以那么小,是因为射电波的能量非常非常低——半个多世纪以来,全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸。
  另一位重要的射电天文学家是美国的格鲁特·雷伯,他受到央斯基论文的启发,1937年在自家后院建立了口径为9米的抛物线形金属盘射电望远镜,这是比央斯基的天线更先进的技术。由于雷伯没有参军,得以在1941年-1943年绘制了全天射电亮度分布图,其中首次记录了天鹅座A和仙后座A两个强辐射源。
  雷伯利用不同波段进行全天测量,他发现了一个奇怪的现象。按照恒星这样的发光能量分布(即黑体辐射),在射电波段,越往波长越长(频率和能量越低)的方向,分配的能量应该越少,也就是波长越长的射电波亮度应该比较暗。但观测结果恰好相反,长波亮度反而比较亮。
  其中的原因直到1950年代才得到解释。原来还存在另外一种发光机制,叫“同步辐射”,即带电粒子在运动速度接近光速在电磁场中偏转时,由于相对论效应,沿运动的切线方向发出的一种电磁波辐射。因此这个观测既证明宇宙中普遍存在磁场,而且在天上证明了相对论效应。
  雷伯所用的射电望远镜,后来被美国国家射电天文台永久收藏,实际上,央斯基的天线也是雷伯主持复制的。这两架形式不同的探测器见证了早期射电天文学发展的历史,成为对两位射电天文开创者最好的纪念。
  1960年代的四大发现
  就像央斯基无意中开辟了射电天文学,在科学发展中总是出现许多意外的变数。对于射电(无线电)天文学来说,第二次世界大战是一个重要的时间点。在二战之前,只有少数几位科学家注意到了射电天文学这个方向。二战期间,为了应对德军的空袭,无线电科学家们被征召入伍,雷达技术获得迅速的发展(雷达实际上就是“无线电/射电探测器”的缩写音译)。在此期间,科学家们对太阳和电离层进行了深入研究。
  二战之后,科学家们从战场回到学校,利用在二战期间发展起来的雷达技术,欧美大学里纷纷建立研究射电天文学的科学小组,从而迎来射电天文学的大爆发。
  1950年代,剑桥大学的科学家马丁·赖尔和安东尼·休伊什发展了利用地球自转的口径综合技术,同时期发展的还有干涉仪技术,从而能够克服早期望远镜较小的困难,获得相当于数千米的“等效口径”。到了1960年代,射电天文学取得了一系列重大的科学成功,尤其是被誉为“天文学四大发现”的类星体、脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子,这些重大发
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