一、央斯基和雷伯创建射电天文学

20 世纪30年代，美国无线电工程师央斯基意外发现了来自宇宙的无线电波，从而揭开了射电天文学的序幕，成为射电天文学的开创者。无线电工程师雷伯紧跟其后，研制成世界上第一台射电望远镜，并用来观测星空获得天文学史上第一幅银河系射电天图。射电天文学使用的是一种崭新的手段，为历史悠久的天文学开拓了新的领域。

1.无线电通信的发展

早在1865年，英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）建立电磁理论，证明电磁波的频率范围特别宽，除可见光外，还有波长较长的红外线和无线电波，波长较短的紫外线、X射线和γ射线。可见光和这些看不见的光线似乎区别很大，其实它们的本质是相同的，都是电磁波。然而，几千年来，人类都是通过肉眼观测天体发出的可见光来认识天体，1609年伽利略发明光学天文望远镜以来，也还只是通过观测天体的可见光辐射来研究天体。没有天文学家自觉地去寻找天体其他波段的辐射。

天文学家忙于可见光波段的观测研究，以及研制更大的光学望远镜，他们没有认真考虑天体在其他波段的辐射，忽略了大气为我们开启的射电窗口。但是，无线电通信技术的发展孕育着射电天文学的诞生。

无线电通信是利用电磁波在空间的传播来传递各种信息的，因此必须有发射信号的发射机和接收信号的接收机。只要接收机足够灵敏，就有可能接收到来自天体的无线电波。无线电通信技术的发展，也就为射电天文望远镜的出现准备了条件。

1896年3月24日，俄国科学家波波夫（Alexander Popoff）进行了世界上第一次无线电报实验，用自制的发报机发出“海因里希·赫兹”几个字的电报，被近处的接收机收到。与此同时，年仅22岁的意大利籍英国电气工程师马可尼（Guglielmo Marconi）也在研究无线电通信。他在意大利的家庭庄园里竖立起一根延伸到空中的导线，以此发射无线电波。他在离庄园约1.6 km的地方成功地接收到信号，表明这一方法可以把无线电波发射到更远的距离。

1899年，马可尼首次实现了英吉利海峡两岸的无线电通信。1901年12月，他和英国电气工程师弗莱明（John Ambrose Fleming）一起完成了历史上第一次跨越大西洋的无线电发射实验。在那个时代，无线电远程通信所使用的频率比较低，也就是进行长波通信。1909年，马可尼因对无线电通信的重大贡献获得了该年度的诺贝尔物理学奖。1916年，马可尼开始利用短波，即频率在3—30 MHz范围的电磁波来进行远程通信，效率更高。短波通信的接收波段与后来发展起来的射电天文观测的波段比较接近。

2.央斯基发现宇宙射电

央斯基（图2-1）于1905年10月出生在美国。他的父亲是捷克后裔，是威斯康星大学电气工程教授，对物理学有着浓厚的兴趣。央斯基受父亲影响，同样痴迷于物理学，他在父亲任教的大学取得物理学学士学位，毕业后留校任教一年。他于1928年来到美国新泽西州的贝尔实验室——一个刚刚成立3年但已非常权威的研究机构。央斯基的主要工作是对短波通信中的天电干扰问题进行研究。当时短波通信已比较成熟，比长波通信更具优越性，但是由于容易受到人为干扰和天电干扰，其发展一直受到制约。所谓天电干扰是指来自空间的无线电波干扰，包括大气中的雷电、太阳耀斑爆发引起的地球电离层的扰动和来自宇宙天体的无线电辐射，但当时人们并不清楚这些。贝尔实验室一直想查清天电干扰的原因，于是把这个任务交给了央斯基。

1931年12月，央斯基建造了一套探测天电干扰的设备，实际上是一台射电天文望远镜。由振子组成的天线阵长30.5m、高3.66m，安装在一个下面装有四个汽车轮胎的基座上，可以在马达的带动下旋转起来，20分钟绕中心一周。他给这具天线起了个绰号，叫作“旋转木马”（图2-2）。这是一台具有方向性的天线，只能接收来自某些方向的电磁波，这样可以帮助确认干扰噪声来自哪个方向。央斯基用一台灵敏度很高的接收机和“旋转木马”相连接，构成一台工作波长为14.6m的监测天电噪声的设备。

监测进行了几个月，记录下大量的干扰信号。按照信号的特征，央斯基将静电干扰分为三种类型：第一类是附近的雷暴；第二类是远处的雷暴；第三类则是不知来源的微弱但比较稳定的噪声信号。他花了一年多的时间研究第三种类型的静电干扰究竟来自什么地方。央斯基最初推测这种微弱但变化着的干扰可能来自太阳。然而，再观测几个月，极大值离开了太阳的方向。而且测出信号以23小时56分钟的周期重复，这是地球自转相对于恒星的周期（恒星日），而不是相对于太阳的24小时的太阳日。恒星日之所以比太阳日要短约4分钟，是因为地球绕太阳的公转运动，一年365天转360°，大约每天偏离1°，相当于4分钟。“旋转木马”6个小时的观测记录如图2-3所示，每小时天线旋转3圈，记录下3个极大值，均指向人马座，也就是银河系中心。

央斯基于1933年、1934年和1935年先后发表了3篇论文。1935年发表的论文根据更精心的观测再次确认发现来自银河系中心的射电辐射，正式宣告了射电天文学的诞生。

为了纪念央斯基发现宇宙射电所做出的贡献，在1973年8月举行的国际天文学联合会第15次大会上，射电天文小组委员会通过决议，采用“央斯基”作为天体射电流量密度的单位，简写作“Jy”，并且纳入国际物理单位系统。1998年，贝尔实验室决定在央斯基原来放置天线的地方建纪念碑。纪念碑是旋转天线的雕塑，天线指向银河系中心人马座方向，时间是央斯基发现银河系中心射电辐射的1932年9月16日晚上7点10分。2012年1月10日，美国国家射电天文台（NRAO）宣布规模宏大的射电望远镜阵列甚大阵（VLA）重新以央斯基的名字命名，以纪念他对射电天文学的贡献。

3.雷伯和第一台射电望远镜

央斯基是无线电工程师，对天文学知之甚少，可以说是个门外汉。射电天文学对于当时的天文学家来说也是非常陌生的，他们埋头苦干于自己熟悉的光学领域，对宇宙射电的发现缺乏热情。对于贝尔实验室来说，央斯基发现的干扰对于跨太平洋通信系统并没有什么影响，不认为其有什么研究价值，加上当时的美国经济处在大萧条时期，更难开启一个与本身业务无关的研究项目。央斯基迫切希望继续研究来自银河系的射电辐射的请求被驳回，他被分配了新的任务，不能继续在天文学领域内开展进一步的工作。

这一伟大的发现似乎被冰封起来了。但是，美国无线电工程师雷伯勇敢地站出来，单枪匹马地研制了世界上第一台射电天文望远镜，并且坚持观测研究，独自承担起射电天文学早期发展的重担。

雷伯1911年12月22日生于美国。他的母亲是一位中学老师，对雷伯进行了很好的家庭教育。1933年，雷伯从伊利诺伊州技术学院毕业。从1933年到1947年，他先后在几家无线电厂工作。在这漫长的14年中，他以业余爱好者的身份从事射电天文学的研究。事实上，在央斯基发现银河系中心射电辐射以后的10年间，雷伯是世界上独一无二的射电天文学家。

在少年时代，雷伯就对无线电技术产生浓厚兴趣。那个时代，无线电通信正处在实验和发展的时期。雷伯是一位业余无线电爱好者。他亲手制作无线电发报机，奔赴多个国家进行过许多次短波远距离通信实验。在大学学习期间，他还曾向月球发射无线电波并希图接收月球反射的回波。

当雷伯得知央斯基发现宇宙射电后，十分兴奋——他的实验活动有了更广大的空间。他下定决心要从事射电天文学的研究。他认为，如果能与央斯基一起工作将是再好不过的了，于是立即向贝尔实验室提出调职申请。遭到拒绝后，他并没有就此作罢。

雷伯决心研制一台比央斯基的“旋转木马”更好的射电望远镜。困难当然是很大的，一无经费来源，二无研究时间，三无车间厂房。当时，他正在芝加哥的一家公司工作，而研制望远镜只能在业余时间回到伊利诺伊州惠顿的家中进行。一切费用只能花自己的工资。经过几年努力，雷伯终于在1937年制成了世界上第一台射电望远镜（图2-4）。雷伯把它安装在自己家的后院，采用直径9.6m、焦距6.1m的抛物面天线。抛物面底盘是木制的，表面是镀锌铁皮。工作波长为1.87m，后来又改为60 cm，还可以在更短的波长上观测。在那时，人们没有见到过抛物面天线，雷伯家中出现这样的庞然大物使他的邻居大吃一惊。

雷伯建造的射电望远镜是他对天文学的第一大贡献。这台望远镜是世界上第一台、直到第二次世界大战结束仍是唯一的射电望远镜。抛物面天线比起央斯基的“旋转木马”优越得多：收集能量的功能比较强，灵敏度比较高；空间分辨能力比较高；可以指向天空中任何一个位置。雷伯的射电望远镜成为现代射电望远镜的雏形，当代绝大多数大型射电望远镜都采用抛物面天线。这台望远镜在完成历史使命后，被雷伯捐赠给美国国家射电天文台，和雷伯监造的央斯基“旋转木马”复制品一起屹立于西弗吉尼亚州格林班克的国家射电天文台园区，成为射电天文学的历史纪念碑。

雷伯的第二个大贡献是给出天文学史上第一张银河系射电天图。经过多次的改造和反复的实验，雷伯终于在1939年4月非常清晰地记录下来自银河系中心的射电辐射，验证了央斯基的发现（图2-5）。

1941年，雷伯用这台望远镜进行人类第一次射电巡天，在仙后座、天鹅座和人马座中发现3个强射电源（图2-6）。仙后座中的射电源取名为仙后座A（Cas A），它是300多年前一颗超新星爆发后的遗迹，是银河系中射电亮度仅次于太阳的射电源。天鹅座中的射电源为双源，取名为天鹅座A（Cyg A），是我们观测到的银河系外最强的射电源。人马座中的射电源处在银河系中心，已证实是一个质量大约400万倍太阳质量（ M _☉ ，天文学常用质量单位）的黑洞的所在地。这三个射电源至今仍是射电天文学家观测研究的热点。

1938年到1943年期间，雷伯的观测成果陆续发表在工程学和天文学的期刊上。他的每一项观测成果都是天文学史上的第一次。这位在射电天文研究方面开天辟地的英雄，却不得不接受那些对射电天文还不太懂的学术刊物编辑们非常严格的审查。1940年雷伯在美国《天体物理学报》（ Astrophysics Journal ，简称ApJ）发表第一篇射电天文观测论文。发表过程颇为周折，对于这位天文爱好者出身的射电天文学家的论文，主编有疑虑，特别派了三位天文学家到雷伯家中考察，最后才决定发表。

雷伯的第三个重要贡献是发现射电源的非热辐射特性。当时，天文学家已经弄清楚，太阳和其他恒星可见光波段的辐射属于黑体热辐射。但是，雷伯的观测表明，这几个银河系射电源的辐射频谱与热辐射的频谱完全不同，它们的强度随频率的增加呈下降的趋势。这种新型的辐射究竟是什么机制产生的？直到20世纪50年代才弄清楚，这种辐射是由近光速运动的高能带电粒子在磁场中做加速运动引起的，称为同步辐射，属于非热辐射。

雷伯的第四个贡献是在20世纪50年代开启了甚低频率宇宙射电的观测研究。1954年，雷伯搬到了澳大利亚最南端的塔斯马尼亚岛，在那里他与塔斯马尼亚大学的埃利斯（Bill Ellis）合作，进行甚低频率宇宙射电的观测研究。这是一个被天文学家忽略的、有着重要意义但又是非常难的观测课题，因为来自宇宙天体的、频率低于25 MHz的射电波都会被地球电离层反射掉。雷伯要观测的频段是1—2 MHz，当然也会遭到被反射的命运。但是，在太阳活动较弱的时候，在地球的某些地方，甚低频射电波仍然有可能到达地面。塔斯马尼亚岛就是这样的地方。1990年，雷伯撰写的《百米波长和千米波长射电天文学》（Hectometer and kilometer wavelength radio astronomy）论文在卡西姆（Namir Kassim）和维勒（Kurt Weiler）主编的《太空低频天体物理研讨会论文集》上发表。当今的天文学家认为，在月球表面建造巨大的观测百米波长射电波的天线阵是未来一项有意义的观测课题。

雷伯是天文界的一位寿星，2002年12月20日在塔斯马尼亚岛去世，终年91岁。他的骨灰安置在塔斯马尼亚岛的博斯威尔公墓，以及世界各地许多主要的射电天文台，包括美国、澳大利亚、荷兰、英国、印度、芬兰和俄罗斯的射电天文台。射电天文学家以这种方式缅怀这位射电天文学的先驱。 oJHHHP/paMsN9oP3MGWBykYJOVi4BL+8NQDB2e/25xDsH3OuGJcmcmPfndSbjHZ/