早期的射電天文學(xué)
1930年代,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室在開展跨大西洋無(wú)線電話業(yè)務(wù)時(shí),想調(diào)查一下短波(頻率3兆赫-30兆赫)存在哪些可能的干擾源,于是指派了一位工程師卡爾·央斯基(Karl Jansky)來(lái)做這份工作。
央斯基為此建造一架天線探測(cè)20.5兆赫無(wú)線電波(波長(zhǎng)14.6米),它架在一個(gè)桌面上,桌面下面安裝了四個(gè)輪胎的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),從而可以探測(cè)任意方向的信號(hào)源。當(dāng)時(shí)他的同事們把這個(gè)裝置稱為“央斯基的旋轉(zhuǎn)木馬”。
工作了幾個(gè)月之后,央斯基把干擾信號(hào)源分成了三類:近處的雷暴、遠(yuǎn)方的雷暴,以及一種未知的微弱穩(wěn)定信號(hào)源。他又花了一年時(shí)間來(lái)調(diào)查這第三種干擾源的性質(zhì)。
他一開始發(fā)現(xiàn)干擾源最強(qiáng)的位置每天升起落下一次,使他以為信號(hào)來(lái)自太陽(yáng)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月跟蹤之后,信號(hào)源與太陽(yáng)分開了,這時(shí)央斯基也發(fā)現(xiàn),信號(hào)重復(fù)的周期不是24小時(shí),而是23小時(shí)56分,這是地球相對(duì)于恒星自轉(zhuǎn)的周期。經(jīng)過(guò)與天文圖像對(duì)比,他確認(rèn)這些無(wú)線電輻射來(lái)自銀河系,信號(hào)最強(qiáng)的方向正好是在人馬座方向,這里是銀河系的中心所在。
這份報(bào)告在1933年出版,并在5月5日的《紐約時(shí)報(bào)》上做了報(bào)道。央斯基向貝爾實(shí)驗(yàn)室申請(qǐng)建造一架靈敏度更高的天線,進(jìn)行更仔細(xì)的測(cè)量,但貝爾實(shí)驗(yàn)室認(rèn)為既然這些信號(hào)源不足干擾洲際無(wú)線電通信,因此給央斯基指派了其他的工作,從此無(wú)線電工程師央斯基告別了他無(wú)意中開辟的“射電天文學(xué)”。
雖然央斯基并不是一位真正的天文學(xué)家(天文學(xué)家們當(dāng)時(shí)還沒(méi)有開始注意到“無(wú)線電”與天文的關(guān)系),他的工作也由于當(dāng)時(shí)的經(jīng)濟(jì)大蕭條而沒(méi)有引起天文學(xué)界的足夠重視,但這畢竟是第一份射電天文學(xué)報(bào)告。為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn),射電天文學(xué)把射電信號(hào)的輻射強(qiáng)度單位命名為央斯基;2012年,美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)的射電望遠(yuǎn)鏡“甚大陣”(出現(xiàn)在電影《超時(shí)空接觸》的海報(bào)上)也為向他致敬而重新命名為“卡爾·央斯基甚大陣”,并在旁邊復(fù)制了他當(dāng)時(shí)所用的天線。
射電輻射強(qiáng)度“央斯基”這個(gè)單位之所以那么小,是因?yàn)樯潆姴ǖ哪芰糠浅7浅5汀雮€(gè)多世紀(jì)以來(lái),全世界所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量尚翻不動(dòng)一頁(yè)紙。
另一位重要的射電天文學(xué)家是美國(guó)的格魯特·雷伯,他受到央斯基論文的啟發(fā),1937年在自家后院建立了口徑為9米的拋物線形金屬盤射電望遠(yuǎn)鏡,這是比央斯基的天線更先進(jìn)的技術(shù)。由于雷伯沒(méi)有參軍,得以在1941年-1943年繪制了全天射電亮度分布圖,其中首次記錄了天鵝座A和仙后座A兩個(gè)強(qiáng)輻射源。
雷伯利用不同波段進(jìn)行全天測(cè)量,他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象。按照恒星這樣的發(fā)光能量分布(即黑體輻射),在射電波段,越往波長(zhǎng)越長(zhǎng)(頻率和能量越低)的方向,分配的能量應(yīng)該越少,也就是波長(zhǎng)越長(zhǎng)的射電波亮度應(yīng)該比較暗。但觀測(cè)結(jié)果恰好相反,長(zhǎng)波亮度反而比較亮。
其中的原因直到1950年代才得到解釋。原來(lái)還存在另外一種發(fā)光機(jī)制,叫“同步輻射”,即帶電粒子在運(yùn)動(dòng)速度接近光速在電磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)時(shí),由于相對(duì)論效應(yīng),沿運(yùn)動(dòng)的切線方向發(fā)出的一種電磁波輻射。因此這個(gè)觀測(cè)既證明宇宙中普遍存在磁場(chǎng),而且在天上證明了相對(duì)論效應(yīng)。
雷伯所用的射電望遠(yuǎn)鏡,后來(lái)被美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)永久收藏,實(shí)際上,央斯基的天線也是雷伯主持復(fù)制的。這兩架形式不同的探測(cè)器見證了早期射電天文學(xué)發(fā)展的歷史,成為對(duì)兩位射電天文開創(chuàng)者最好的紀(jì)念。
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