射電天文學(xué)的研究始于1933年，緣于工程師卡爾·詹斯基（Karl Jansky）的一個(gè)偶然發(fā)現(xiàn)：除了人類發(fā)明的電器可以發(fā)出無(wú)線電波，宇宙本身自然就能產(chǎn)生無(wú)線電波。于是天文學(xué)家開始不斷改進(jìn)天文望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)以探尋宇宙無(wú)線電波的來(lái)源，并試著解開宇宙的奧秘。普通可見光望遠(yuǎn)鏡的用處很多，而借助無(wú)線電波的望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家能夠探測(cè)到不同的宇宙事件——比如黑洞、恒星的誕生與湮滅、行星的形成以及更多類似信息。因此，運(yùn)用不同的天文望遠(yuǎn)鏡，我們可以觀測(cè)到不同的“波”，從無(wú)線電波到可見光再到伽馬射線，最終幫助我們繪制更加完整的宇宙圖景。

“給少年的科學(xué)前沿”系列（10）

作者：Sarah Scoles （美國(guó)科學(xué)記者）
原文編輯：Kathryn Elizabeth Williamson （美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)）
翻譯：木東
編輯/校對(duì)：李娟

賽先生“中小學(xué)生評(píng)審”黎大可為本文撰寫了點(diǎn)評(píng)。

小黑板 電磁光譜：可見光只占電磁光譜的很小一部分，其光子能量中等。光子能量更高的有紫外線、X射線以及伽馬射線（伽馬射線光子能量最強(qiáng)）。光子能量比可見光弱的有紅外線和無(wú)線電波（無(wú)線電波能量最弱）。 光子：組成光的粒子，以波的形式進(jìn)行傳播。 波長(zhǎng)：光子傳播過(guò)程中波的長(zhǎng)度。 頻率：一秒鐘內(nèi)穿過(guò)某特定點(diǎn)的光波次數(shù)。 赫茲：1赫茲是指一秒鐘在某點(diǎn)有一次光波通過(guò)；1兆赫指一秒鐘有1百萬(wàn)次光波通過(guò)。 接收器：射電望遠(yuǎn)鏡的組成部分，能夠接收無(wú)線電信號(hào)，并將之轉(zhuǎn)換成圖片。 暗物質(zhì)：與重力引力的作用相反，使宇宙中不同的物質(zhì)之間相互排斥。 超脈澤：太空中一種自然產(chǎn)生的“激光”，不過(guò)發(fā)射的是無(wú)線電波，而不像我們通常使用的激光筆發(fā)射出的紅的或者綠的光束。

一閃一閃亮晶晶，滿天都是小星星。你一定喜歡夏日郊外的夜晚，涼風(fēng)徐徐，繁星點(diǎn)點(diǎn)。其實(shí)，你肉眼所能區(qū)分的單個(gè)星星，離地球都比較近，太陽(yáng)系當(dāng)中有超過(guò)一千億顆這樣的星星，匯聚成長(zhǎng)長(zhǎng)的銀河。你能想象嗎？在銀河之外，更遙遠(yuǎn)的地方，有大約一千億個(gè)星系存在，每一個(gè)星系又都由一千億顆星星匯聚而成，窮盡千里目，你也無(wú)法看到那番景象。我們能看見的可見光，只是被天文學(xué)家稱為“電磁光譜”的一小部分，而電磁光譜還包括伽馬射線、X射線、紫外線、紅外線，微波以及無(wú)線電波等等。因此科學(xué)家必須建造特殊的望遠(yuǎn)鏡，來(lái)收集這些不可見的“光譜”，并將這些信息轉(zhuǎn)變成直觀可見的數(shù)據(jù)和圖片。

什么是無(wú)線電波

光是由微小的粒子組成，稱為“光子”。可見光光子的能量中等。光子能量稍高的紫外線，雖然不可見，但它卻能曬傷皮膚。X射線的能量更強(qiáng)，它可以穿透身體。恒星爆炸時(shí)會(huì)釋放出伽馬射線，它的能量最強(qiáng)。低于可見光光子能量的光子構(gòu)成了紅外線。我們看不見紅外線，只能感受到它釋放出來(lái)的熱量。

那么，無(wú)線電波的能量如何呢？事實(shí)上，無(wú)線電波的光子能量最低，它來(lái)自宇宙中的特別區(qū)域——那里最冷、最古老，狹小的空間里擠滿了不計(jì)其數(shù)的物質(zhì)。在這些肉眼或者普通望遠(yuǎn)鏡永遠(yuǎn)也不可能感知的地方，無(wú)線電波可以告訴我們那里發(fā)生的事。

射電天文學(xué)家就是利用射電光子來(lái)探索不可見的宇宙部分。光子以波的形式傳播，就像坐在過(guò)山車上向前進(jìn)，只不過(guò)是在上下顛簸不斷重復(fù)的相同軌道上。不同波長(zhǎng)的光子有著不同能量。圖1中，兩種光子的波長(zhǎng)不同，波長(zhǎng)越長(zhǎng)能量越小，波長(zhǎng)越短能量越大。無(wú)線電波的能量不大，其傳播的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，可能有幾十米或者幾厘米長(zhǎng)不等。

圖1. 光子以波的形成傳播，每個(gè)波的長(zhǎng)度稱為波長(zhǎng)。

每秒鐘經(jīng)過(guò)某處的光波的數(shù)量就是光波的頻率。打個(gè)比方，往池塘里扔的石塊激起水波四散，如果你站在池塘里，水波會(huì)沖撞你的腳踝，而每秒鐘沖撞腳踝的水波的次數(shù)，就是水波的頻率。如果一秒鐘有一次波通過(guò)，那頻率就是1赫茲，一百萬(wàn)次波通過(guò)，就是100兆赫。如果水波很長(zhǎng)，每秒鐘沖撞腳踝的次數(shù)就會(huì)較少，所以波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小。無(wú)線電波的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，它的頻率則很小。

射電光波研究的先驅(qū)者

第一個(gè)發(fā)現(xiàn)無(wú)線電波的人并不是第一位射電天文學(xué)家。1933年，工程師卡爾·詹斯基（Karl Jansky）在新澤西的貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室以電話的發(fā)明者亞歷山大·格拉漢姆·貝爾命名。當(dāng)時(shí)，工程師在搭建橫跨大西洋的電話系統(tǒng)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作人員發(fā)現(xiàn)，越洋電話里總是有嘶嘶的背景雜音。這顯然會(huì)影響電話業(yè)務(wù)的發(fā)展，于是卡爾·詹斯基被派去查找原因并解決這個(gè)問(wèn)題。

卡爾·詹斯基發(fā)現(xiàn)電話里噪音的出現(xiàn)時(shí)間是有規(guī)律的，往往出現(xiàn)在銀河系中心地帶升起時(shí)，而當(dāng)它沉落后噪音就消失了（如同太陽(yáng)和月亮，天空的每顆星體都有初升和沉落）。原來(lái)，銀河系中心有一個(gè)很強(qiáng)的射電源，來(lái)自這個(gè)射電源的無(wú)線電波擾亂了電話信號(hào)，引起了噪音。卡爾·詹斯基繼而通過(guò)儀器也檢測(cè)到了這類無(wú)線電波^[1]，向我們打開了宇宙中嶄新的未知世界。圖2就是卡爾·詹斯基用來(lái)檢測(cè)太空中無(wú)線電波信號(hào)的裝置。

圖2. 射電天文學(xué)奠基者卡爾·詹斯基站在他建造的用來(lái)檢測(cè)太空中無(wú)線電波信號(hào)的裝置前。

受到卡爾·詹斯基的啟發(fā)，格羅特·雷伯（Grote Reber）在伊利諾伊州自己的后院里建造了一架射電望遠(yuǎn)鏡。這架將近10米長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡于1937年完成，并用來(lái)觀測(cè)天空中的無(wú)線電波。通過(guò)觀測(cè)所得到的數(shù)據(jù)，格羅特·雷伯繪制了第一幅射電天圖（radio sky）^[2]。

射電望遠(yuǎn)鏡收聽到的宇宙電波

可見光因其波長(zhǎng)較短，我們眼睛雖小，卻能看見它們。但是無(wú)線電波波長(zhǎng)很長(zhǎng)，就不是我們的眼睛能看見的了，它需要“大大的眼睛”才能看見。一般的望遠(yuǎn)鏡最多幾十厘米長(zhǎng)，而射電望遠(yuǎn)鏡則要大的多。西佛吉尼亞的綠岸望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope）有90多米長(zhǎng)（圖3）。而位于波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡（AreciboTelescope）則長(zhǎng)達(dá)300米。（編者注：2016年夏天，我國(guó)完成了500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡的主體工程，它的接收面積有30個(gè)足球場(chǎng)那么大。它位于貴州，是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。）雖然射電望遠(yuǎn)鏡看起來(lái)像衛(wèi)星電視接收器，但其工作原理跟普通望遠(yuǎn)鏡一樣。

圖3. 雖然綠岸望遠(yuǎn)鏡看起來(lái)不像普通的望遠(yuǎn)鏡，但它接收無(wú)線電波信號(hào)的原理與普通望遠(yuǎn)鏡接收可見光的原理一樣。它們能夠?qū)⑷祟惾庋鄄豢梢姷臒o(wú)線電波，轉(zhuǎn)換成圖片和數(shù)據(jù)，供科學(xué)家分析。來(lái)源：NRAO

使用普通望遠(yuǎn)鏡的時(shí)候，我們把它對(duì)準(zhǔn)要看的物體，從所觀察的物體反射的光線能夠通過(guò)一個(gè)個(gè)的反射鏡片和透鏡，最后進(jìn)入我們的眼睛里。

當(dāng)天文學(xué)家把一架射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)太空中的物體時(shí)，物體的無(wú)線電波到達(dá)望遠(yuǎn)鏡的表面。射電望遠(yuǎn)鏡的表面可以是有很多小洞的網(wǎng)狀金屬層，也可以是鋁制實(shí)體金屬層，它像鏡子一樣把無(wú)線電波反射到第二面“無(wú)線電波鏡子”上，再反射到“接收器”中。接收器像照相機(jī)一樣，把無(wú)線電波轉(zhuǎn)換成圖片信號(hào)，能夠顯示所接受到的無(wú)線電波的強(qiáng)度以及來(lái)源。

與可見光不同，天文學(xué)家通過(guò)無(wú)線電波，可以看到完全不同的景象。比如，太空中恒星形成的地方有很多塵埃，這些塵埃阻擋了可見光的傳送，因此整片區(qū)域看起來(lái)一片黑暗。而使用射電望遠(yuǎn)鏡觀察時(shí)，就可以“看破紅塵”，發(fā)現(xiàn)正誕生的新星。

恒星在氣體組成的巨大云朵里誕生。一開始，氣體聚集到一起凝結(jié)成塊，由于重力原因，越來(lái)越多的氣體附著到結(jié)塊上，使它體積變得越來(lái)愈大，溫度越來(lái)越高。當(dāng)它的體積和溫度達(dá)到一定程度，氫原子開始聚變成較大的氦原子。最后變?yōu)橐活w真正的恒星。射電望遠(yuǎn)鏡就可以給這些新生的恒星拍張寫真照^[3]。

而且，射電望遠(yuǎn)鏡還能夠用來(lái)觀察地球附近的恒星。我們所見的日光來(lái)自高達(dá)5000攝氏度的太陽(yáng)表面，再往外，溫度可達(dá)5萬(wàn)多度。通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡，我們可以觀察這些發(fā)送無(wú)線電波的溫度更高的區(qū)域。

太陽(yáng)系的行星發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)不盡相同。射電望遠(yuǎn)鏡可以讓我們觀察到圍繞在天王星和海王星周圍的氣體，以及這些氣體的活動(dòng)。木星的南北兩極能夠發(fā)送無(wú)線電信號(hào)。如果我們往水星發(fā)送無(wú)線電信號(hào)，然后通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡觀察反射回來(lái)的信號(hào)，就可以給水星繪制一幅像“谷歌地球”一樣清晰的地圖了^[4]。

當(dāng)觀察更加遙遠(yuǎn)的太空時(shí)，射電望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)到宇宙中意想不到的東東。大多數(shù)星系的中心地帶都有巨大的黑洞，由很多物質(zhì)擠在狹小的空間形成，產(chǎn)生巨大的引力，大到?jīng)]有什么東西可以從黑洞中逃逸，光也會(huì)陷在里面。黑洞能夠吞噬恒星、塵埃以及周圍的所有物體。當(dāng)?shù)姑沟奈矬w被黑洞的巨大引力所俘獲，它先是在黑洞周圍打轉(zhuǎn)，并呈螺旋下降，離黑洞越來(lái)越近，下降速度也越來(lái)越快。黑洞的上下空間里，有著巨大的電磁輻射的射線噴射流，以及到達(dá)不了黑洞的物質(zhì)（圖4）。射電望遠(yuǎn)鏡能夠向我們展示這樣的圖景。

圖4. 星系中的黑洞向外“發(fā)射”的射線噴射流，長(zhǎng)度甚至超過(guò)星系的寬度。

宇宙中如黑洞這樣質(zhì)量大的結(jié)構(gòu)能夠讓時(shí)空扭曲。就像把一個(gè)很重的保齡球放到彈床上，彈床會(huì)向下凹陷。下陷的區(qū)域如同放大鏡一樣，能把經(jīng)過(guò)此地的來(lái)自遙遠(yuǎn)星系的無(wú)線電波放大。這樣一來(lái)，望遠(yuǎn)鏡觀察到的遙遠(yuǎn)星系所呈現(xiàn)出的圖像變得更大也更亮。

射電望遠(yuǎn)鏡還有助于解決宇宙的終極難題：什么是暗物質(zhì)？宇宙時(shí)時(shí)刻刻都在不停的膨脹，而且膨脹的速度在加快，因?yàn)?ldquo;暗物質(zhì)”與重力引力相反，它不是把物質(zhì)拉到一起，而是極力將它們推開。那么暗物質(zhì)的能量到底有多強(qiáng)大呢？射電望遠(yuǎn)鏡可以通過(guò)觀測(cè)太空某些區(qū)域產(chǎn)生的超脈澤（mega-maser），來(lái)幫助科學(xué)界解答這個(gè)問(wèn)題^[5]。超脈澤就好比激光，只是它發(fā)射的是無(wú)線電波，而不是可見的紅綠光。如果能弄清不同超脈澤之間的距離，就可以推算出不同的星系的距離，那么據(jù)此就可以推算出這些星系不斷遠(yuǎn)離地球的速度。

天文學(xué)家的全套“工具箱”

可見，如果我們只有接收可見光的望遠(yuǎn)鏡，就會(huì)錯(cuò)過(guò)宇宙中發(fā)生的很多故事，如同只有聽診器的醫(yī)生只能檢查病人的心跳，但在X射線儀器、B超儀器、核磁共振儀器以及CT掃描儀的武裝下，醫(yī)生就可以對(duì)病人進(jìn)行更加全面的檢測(cè)。天文學(xué)家也一樣，他們不但要利用射電望遠(yuǎn)鏡，還要運(yùn)用其他不同類型的望遠(yuǎn)鏡，包括紫外、紅外、X射線，以及伽馬射線望遠(yuǎn)鏡。有了這些利器，天文學(xué)家就能繪制更為詳盡的宇宙畫像。

參考文獻(xiàn)：

[1] Jansky, K. G. 1993. Radio waves from outside the solar system. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0
[2] Reber, G. 1944. Cosmic static. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668
[3] McKee, C. F., and Ostriker, E. 2007. Theory of star formation.Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565–687. doi:10.1146/annurev.astro.45.051806.110602
[4] Ostro, S. J. 1993. Planetary radar astronomy. Rev. Mod. Phys. 65, 1235–79. doi: 10.1103/RevModPhys.65.1235
[5] Henkel, C., Braatz, J. A., Reid, M. J., Condon, J. J., Lo, K.Y., Impellizzeri, C. M. V., et al. 2012. Cosmology and the Hubble constant: on the megamaser cosmology project (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi:10.1017/S1743921312007223

Frontiers for Young Minds青少年評(píng)審：

美國(guó)西佛尼吉亞州綠岸中小學(xué)的6年級(jí)學(xué)生：

我們是美國(guó)西佛尼吉亞州綠岸中小學(xué)的6年級(jí)學(xué)生，年齡在11-12周歲。我們這一級(jí)今年只有一個(gè)班，23名同學(xué)，而且大部分從幼兒園開始就互相認(rèn)識(shí)了。一位天文觀測(cè)站的科學(xué)家來(lái)過(guò)我們班兩次，她向我們講述了關(guān)于太空的故事，我們非常喜歡。我們也喜歡上數(shù)學(xué)課，喜歡討論有關(guān)科學(xué)的話題。這次，我們很高興，因?yàn)橛⑽模Z(yǔ)言藝術(shù)老師陶曼太太和科學(xué)老師史密斯小姐答應(yīng)幫助我們?cè)u(píng)審這篇稿件。課余時(shí)間，我們喜歡玩各種體育活動(dòng)，比如打獵、釣魚、滑板、籃球、橄欖球、足球、棒球和壘球。跟朋友們打電動(dòng)、聊聊天也是很愜意的事情。

賽先生青少年評(píng)審：

黎大可（18歲，高三學(xué)生，來(lái)自天津市第102中學(xué)）

簡(jiǎn)介： 從小立志當(dāng)科學(xué)家

點(diǎn)評(píng)：

乍一看到這個(gè)題目，“射電望遠(yuǎn)鏡”，正是我感興趣的話題。近年來(lái)，我國(guó)先后在上海和貴州建成了直徑亞洲第一、世界第一的兩座射電望遠(yuǎn)鏡，舉國(guó)驕傲，舉世矚目，更堅(jiān)定了我要成為一名科學(xué)家的理想。

這篇文章十分有趣，它深入淺出地介紹了射電望遠(yuǎn)鏡的起源、功能、作用，形象生動(dòng)地引出了光子、波長(zhǎng)、頻率等基礎(chǔ)知識(shí)，又饒有趣味地對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的前世今生、探測(cè)原理、使命責(zé)任等進(jìn)行了梳理。借給了我們這雙“射電望遠(yuǎn)鏡”之慧眼，讓我們明明白白仔仔細(xì)細(xì)地了解人類今天是怎么“仰觀宇宙之大、俯察品類之盛”的。

當(dāng)然，特別值得一提的是，中國(guó)已在北京、上海、新疆、云南、貴州等地建成了6臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，他們可不是單打獨(dú)斗的。他們強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，組成了一個(gè)更加厲害的測(cè)量網(wǎng)，來(lái)探索宇宙更多的奧秘，為全人類的進(jìn)步貢獻(xiàn)出中國(guó)的力量，這必將成為我們中國(guó)新一代青年的責(zé)任！

本文譯自Frontiers for Young Minds網(wǎng)站。
原文標(biāo)題：What do radio waves tell us about the universe?
原文鏈接：http://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2016.00002
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