02 早期的射电天文探测

爱迪生诞生于1847年，是美国著名的发明家，在他的名下总共有多达2500多项专利和发明。1890年爱迪生曾试图对太阳进行射电波辐射的测量。当时他的实验室曾经向利克天文台提出建议，制造一台专门用来测量太阳射电辐射的接收装置。不过利克天文台台长对此并不关心，这件事就不了了之。不过在当时，所有的无线电装置都应用于长波段的射电波，而长波段的射电波会受到大气电离层的反射，太阳在这一波段的射电辐射是不可能进入地球表面的。所以爱迪生的这个建议实际上没有意义。1896年天文期刊上又有一个类似的、失败的太阳观测记录，这位天文学家当时认为地球大气层会吸收掉来自太阳的射电辐射。

1900年天文学家诺德曼试图在3100米的高山上对太阳进行射电波段观测。不巧这个时间正好是太阳宁静期，所以观测同样失败。1920年亥维赛发现电离层对于长波的反射。从此天文学家才知道如果要进行射电天文观测，必须使用频率大于20兆赫的射电频段。1兆赫指在一秒钟时间内振动重复一百万次。在无线电发展早期，无线电波根据波长可以分为长波、中波、短波、超短波、米波和分米波等等波段。长波的波长在10千米到1千米范围，频率是30千赫到300千赫。中波的波长在1千米到100米之间，频率是300千赫到3000千赫。短波的波长在100米到10米之间，频率是3兆赫到30兆赫之间。而超短波的波长在10米到1米之间，频率在30兆赫到300兆赫之间。到了分米波，波长则是在1米到0.1米之间，频率在300兆赫到3000兆赫之间。短波被称为高频波，超短波被称为甚高频波，分米波被称为特高频波。波长再短，就是超高频波，即厘米波；极高频，即毫米波；至高频，即亚毫米波。

1931年美国电报电话公司的工程师央斯基第一个接收到了来自银河系的无线电信号，这个实验开创了射电天文学科。央斯基的父亲是俄克拉何马大学工程系主任，他后来在威斯康星大学电子工程系任教授。央斯基也曾经是这个大学物理系的学生。1927年央斯基大学毕业，次年加入美国电话电报公司，在贝尔实验室进行研究。当时他的任务是使用10米到20米波长的短波来研究洲际通信时的噪声问题。当时短波无线电通信已经比较成熟，短波通信比长波通信有更大优越性。不过在短波通信时，噪声干扰比较严重。为了开展他的调查工作，他建造了一个频率20.5兆赫、方向性很好的旋转木马式短波天线（图7）。经过很长时间的搜索和测量，他总共发现三种噪声来源：第一种是近距离雷电噪声；第二种是远距离雷电噪声；而第三种则是来自天空的轻微噪声。

这第三种来自天空的噪声每天都会出现一次，他开始以为噪声是从太阳中产生的。不过经过长时间不断观察，他发现噪声周期不是整数24小时，而是23小时56分4秒。这个数字是恒星相对于地球转动一圈所需要的时间，在天文上称为恒星日。原来这个噪声是银河系中心区域人马座内的射电源所发出的。这也是人类首次从可见光以外的电磁波接收到天体信息。1933年，央斯基在国际无线电协会会刊上发表了一篇非常简要的只有2页的论文。当时纽约时报也报道了他的这个发现。对此他也十分兴奋，非常想建造一台30米尺寸的大天线来扫描整个天空，继续进行这项研究。但是他所在的电话电报公司不同意他的计划，他很快就被公司分配另外的工作。央斯基从此离开射电天文界。

当时央斯基发现天上射电源的工作在天文界影响很小，只有少数几个天文学家注意到他的工作。当时美国正处于经济萧条期，天文学家的工作经费少，大家都不愿意承接新的研究项目。不过有两个人注意到央斯基工作的意义，他们就是当时年轻的雷伯和后来美国著名的射电天文教授克劳斯。

几十年以后，作为射电天文学科的开创者，央斯基在射电天文界十分出名。他当时所使用的旋转木马天线也被复制出来，复制品就陈列在美国国家射电天文台内。同时央斯基已经成为天文学中描述电磁波流量密度的单位。一个央斯基等于在一赫兹频率宽度范围内、在一平方米范围内的能量为10 ^-26 瓦特的能量流。这是一个非常小的能量流的单位。

继央斯基以后，一直到第二次世界大战结束，世界上唯一的射电天文学家可能就是雷伯。雷伯家庭比较富裕，在少年时代就是无线电“发烧友”，他曾经尝试向月球发射无线电波，希望能够接收到从月球反射回来的信号。不过这个工作当时没有获得成功。1933年雷伯大学毕业后，听到了央斯基的重要发现，他立即向贝尔实验室申请工作，希望能和央斯基一起进行射电天文研究。他的工作申请没有获得电报电话公司的批准。

工作申请失败后，雷伯仍然对射电天文恋恋不舍。1937年他利用自己的钱，花费1300美元请人制造了世界第一台抛物面形状的射电天线（图8）。这台9.6米口径的射电望远镜底座是用木头制成的，天线的传动依靠人力转动，整个天线只能在高度方向上下移动，使它对准天区的一个方向。这面天线就安置在伊利诺伊州惠顿县他家的后院里。现在抛物面形的天线已经是射电天文望远镜中最主要的结构形式了。1939年雷伯利用这台天线首次在160兆赫的频率上探测并扫描到来自天空中的射电信号，1941年他画出了世界上第一张天文射电源分布图。

1940年雷伯在《天体物理》刊物发表了他的第一篇学术论文。当时《天体物理》刊物的编辑是非常有名的印度裔天文学家钱德拉塞卡。他对雷伯论文的价值无法发表意见，所以他就和几位天文学家专程一起来到雷伯家中，亲眼去看了他的射电望远镜和它的接收装置，从而了解到雷伯很清楚他自己的研究目标。这样最后才批准了论文的发表。1944年雷伯又一次在《天体物理》刊物上发表太阳射电的观测结果。这些早期射电天文论文的发表实际上才真正从文字上表明了射电天文学的诞生。

由于雷伯射电天文论文的发表，当时芝加哥大学天文教授格林斯坦很愿意给雷伯在大学安排一个教职。但是雷伯家境优越，天生不想受任何约束，所以拒绝了这番好意。另外在雷伯看来，那时的天文学家对电子仪器一窍不通，把这些仪器看作是表演魔术的黑盒子。更为重要的是这些天体物理学家并不认为天体会产生任何射电波。雷伯认为他们纯粹是一些只会指指点点的外行。

从1941年到1943年雷伯使用他的望远镜进行了射电巡天。雷伯一辈子始终是一名射电天文学中的个体户，长期从事射电天文的冷门研究工作。后期他认为在地球的磁极附近可以更好地进行长波射电天文观测工作，所以在1954年搬迁到了地球上最靠近南磁极的澳大利亚南部一个小岛上去了。那里是地球上可以接收宇宙长波信号的少数几个地点之一。后来他一直定居在这个小岛上。雷伯一辈子都不相信大爆炸理论，他坚信红移是由于在星际中光线不断被吸收而导致的。雷伯于2002年去世，两天之后就是他的91岁生日。现在雷伯的第一台天线的复制品，也和央斯基天线一起，陈列在美国国家射电天文台之内。

雷伯在射电天文方向的一个重要发现是：在射电波段，低频辐射的能量常常高于高频辐射的能量。这个结论和黑体辐射模型完全不同。根据黑体辐射理论，应该是高频部分具有较多的辐射能量。到20世纪50年代，苏联天文学家金兹伯格终于发现电磁波的同步辐射机制，才最终解开这个特殊天体辐射现象的秘密。

射电天文望远镜的原理和结构与军用雷达十分相似。1942年2月，在第二次世界大战期间，英国军官赫尔在军用雷达屏幕上发现一个非常强的干扰源，后来证实这实际上是来源于太阳黑子的强射电辐射。同年美国工程师萨斯沃斯在贝尔实验室工作期间，也探测到了从太阳黑子中发出的波长在1厘米到10厘米之间的微波辐射。

1940年，当雷伯使用2米波长的射电波对银河系中心进行天文观测的结果发表以后，立即就引起了在遥远的欧洲的一位天文学家的注意。这个天文学家就是当时荷兰天文俱乐部积极分子奥尔特。他一直在进行银河系内部星际间相对于银心的差分转动的研究。遗憾的是在光学波段，银心所发出的信号存在严重的消光现象。但他知道，在射电波段不存在信号被吸收的现象。1944年奥尔特发表了一篇空间射电波的论文，认为在空间射电波中只要观测到一条分子谱线，那么射电天文就会变得十分重要。他立即向他的学生布置了研究谱线的任务，这个学生就是范德胡斯特。范德胡斯特很快就建议他去观测中性氢的21厘米谱线。在这个频段，一台10米天线可以获得1.5度的分辨率。如果使用20米天线，分辨率可以达到0.5度。1945年奥尔特提出了在荷兰建设25米射电天线的计划，这个计划获得荷兰皇家科学院的支持。但是当时是战争期间，并没有任何经费支持。

第二次世界大战后，一大批德国军队所使用的7.5米口径雷达天线（图9）分别在英国、荷兰、法国、瑞典和捷克等国被用于战后的射电天文观测，成为欧洲最早的一批射电天文望远镜。

1951年3月25日，远在美国哈佛的埃文等首次观测到21厘米的谱线。四个星期以后，在荷兰的卡特韦克，利用德国的雷达天线和自制的接收机，21厘米的谱线再次被成功观测到。

早期射电天文项目在美国是由海军主持的。1950年冷战已经开始，美国海军情报机构在马里兰州建造了一台固定在地面上的椭圆形67米长、8米宽的射电天线。天线方向直指中国和苏联。几乎同时，美国海军实验室在华盛顿总部楼顶上建造了一台口径15米的厘米波射电天文望远镜（图10）。从此射电天文望远镜开始进入了一段快速发展的新时期。

射电波和可见光一样，都属于电磁波。然而射电波和可见光又不一样，人眼睛可以直接感受可见光，却不能够直接感受射电波。射电波信号只能通过一些专用无线电装置来检测，这些工作需要特殊的电子工程师的知识背景，一般天文学家很难涉足于这一领域。长期以来，电子工程师们发展和使用了一整套和光学领域完全不同的专业术语和词汇。这为其他领域工作的专家进入这个领域带来了很大的困难。 Xut2kOtTubEMqwIfLlBDsZIPb/9IJ+qsFlzDUCCBP1mMKtoiv7lGdJFfjZsSAW5B