射電天文學的研究始于1933年，緣于工程師卡爾·詹斯基（Karl Jansky）的一個偶然發現：除了人類發明的電器可以發出無線電波，宇宙本身自然就能產生無線電波。于是天文學家開始不斷改進天文望遠鏡的技術以探尋宇宙無線電波的來源，并試著解開宇宙的奧秘。普通可見光望遠鏡的用處很多，而借助無線電波的望遠鏡，科學家能夠探測到不同的宇宙事件——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，運用不同的天文望遠鏡，我們可以觀測到不同的“波”，從無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。

“給少年的科學前沿”系列（10）

作者：Sarah Scoles （美國科學記者）

原文編輯：Kathryn Elizabeth Williamson （美國國家射電天文臺）

翻譯：木東

編輯/校對：李娟

賽先生“中小學生評審”黎大可為本文撰寫了點評。

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）。光子能量比可見光弱的有紅外線和無線電波（無線電波能量最弱）。

光子：組成光的粒子，以波的形式進行傳播。

波長：光子傳播過程中波的長度。

頻率：一秒鐘內穿過某特定點的光波次數。

赫茲：1赫茲是指一秒鐘在某點有一次光波通過；1兆赫指一秒鐘有1百萬次光波通過。

接收器：射電望遠鏡的組成部分，能夠接收無線電信號，并將之轉換成圖片。

暗物質：與重力引力的作用相反，使宇宙中不同的物質之間相互排斥。

超脈澤：太空中一種自然產生的“激光”，不過發射的是無線電波，而不像我們通常使用的激光筆發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，涼風徐徐，繁星點點。其實，你肉眼所能區分的單個星星，離地球都比較近，太陽系當中有超過一千億顆這樣的星星，匯聚成長長的銀河。你能想象嗎？在銀河之外，更遙遠的地方，有大約一千億個星系存在，每一個星系又都由一千億顆星星匯聚而成，窮盡千里目，你也無法看到那番景象。我們能看見的可見光，只是被天文學家稱為“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，微波以及無線電波等等。因此科學家必須建造特殊的望遠鏡，來收集這些不可見的“光譜”，并將這些信息轉變成直觀可見的數據和圖片。

什么是無線電波

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，它可以穿透身體。恒星爆炸時會釋放出伽馬射線，它的能量最強。低于可見光光子能量的光子構成了紅外線。我們看不見紅外線，只能感受到它釋放出來的熱量。

那么，無線電波的能量如何呢？事實上，無線電波的光子能量最低，它來自宇宙中的特別區域——那里最冷、最古老，狹小的空間里擠滿了不計其數的物質。在這些肉眼或者普通望遠鏡永遠也不可能感知的地方，無線電波可以告訴我們那里發生的事。

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

圖1. 光子以波的形成傳播，每個波的長度稱為波長。

每秒鐘經過某處的光波的數量就是光波的頻率。打個比方，往池塘里扔的石塊激起水波四散，如果你站在池塘里，水波會沖撞你的腳踝，而每秒鐘沖撞腳踝的水波的次數，就是水波的頻率。如果一秒鐘有一次波通過，那頻率就是1赫茲，一百萬次波通過，就是100兆赫。如果水波很長，每秒鐘沖撞腳踝的次數就會較少，所以波長越長，頻率越小。無線電波的波長很長，它的頻率則很小。

射電光波研究的先驅者

第一個發現無線電波的人并不是第一位射電天文學家。1933年，工程師卡爾·詹斯基（Karl Jansky）在新澤西的貝爾實驗室工作，這個實驗室以電話的發明者亞歷山大·格拉漢姆·貝爾命名。當時，工程師在搭建橫跨大西洋的電話系統。貝爾實驗室的工作人員發現，越洋電話里總是有嘶嘶的背景雜音。這顯然會影響電話業務的發展，于是卡爾·詹斯基被派去查找原因并解決這個問題。

卡爾·詹斯基發現電話里噪音的出現時間是有規律的，往往出現在銀河系中心地帶升起時，而當它沉落后噪音就消失了（如同太陽和月亮，天空的每顆星體都有初升和沉落）。原來，銀河系中心有一個很強的射電源，來自這個射電源的無線電波擾亂了電話信號，引起了噪音。卡爾·詹斯基繼而通過儀器也檢測到了這類無線電波［1］，向我們打開了宇宙中嶄新的未知世界。圖2就是卡爾·詹斯基用來檢測太空中無線電波信號的裝置。

圖2. 射電天文學奠基者卡爾·詹斯基站在他建造的用來檢測太空中無線電波信號的裝置前。

受到卡爾·詹斯基的啟發，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鏡。這架將近10米長的望遠鏡于1937年完成，并用來觀測天空中的無線電波。通過觀測所得到的數據，格羅特·雷伯繪制了第一幅射電天圖（radio sky）［2］。

射電望遠鏡收聽到的宇宙電波

可見光因其波長較短，我們眼睛雖小，卻能看見它們。但是無線電波波長很長，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。一般的望遠鏡最多幾十厘米長，而射電望遠鏡則要大的多。西佛吉尼亞的綠岸望遠鏡（Green Bank Telescope）有90多米長（圖3）。而位于波多黎各的阿雷西博望遠鏡（AreciboTelescope）則長達300米。（編者注：2016年夏天，我國完成了500米口徑的球面射電望遠鏡的主體工程，它的接收面積有30個足球場那么大。它位于貴州，是世界上最大的單口徑射電望遠鏡。）雖然射電望遠鏡看起來像衛星電視接收器，但其工作原理跟普通望遠鏡一樣。

圖3. 雖然綠岸望遠鏡看起來不像普通的望遠鏡，但它接收無線電波信號的原理與普通望遠鏡接收可見光的原理一樣。它們能夠將人類肉眼不可見的無線電波，轉換成圖片和數據，供科學家分析。來源：NRAO

使用普通望遠鏡的時候，我們把它對準要看的物體，從所觀察的物體反射的光線能夠通過一個個的反射鏡片和透鏡，最后進入我們的眼睛里。

當天文學家把一架射電望遠鏡對準太空中的物體時，物體的無線電波到達望遠鏡的表面。射電望遠鏡的表面可以是有很多小洞的網狀金屬層，也可以是鋁制實體金屬層，它像鏡子一樣把無線電波反射到第二面“無線電波鏡子”上，再反射到“接收器”中。接收器像照相機一樣，把無線電波轉換成圖片信號，能夠顯示所接受到的無線電波的強度以及來源。

與可見光不同，天文學家通過無線電波，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，因此整片區域看起來一片黑暗。而使用射電望遠鏡觀察時，就可以“看破紅塵”，發現正誕生的新星。

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成塊，由于重力原因，越來越多的氣體附著到結塊上，使它體積變得越來愈大，溫度越來越高。當它的體積和溫度達到一定程度，氫原子開始聚變成較大的氦原子。最后變為一顆真正的恒星。射電望遠鏡就可以給這些新生的恒星拍張寫真照［3］。

而且，射電望遠鏡還能夠用來觀察地球附近的恒星。我們所見的日光來自高達5000攝氏度的太陽表面，再往外，溫度可達5萬多度。通過射電望遠鏡，我們可以觀察這些發送無線電波的溫度更高的區域。

太陽系的行星發送的無線電信號不盡相同。射電望遠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。木星的南北兩極能夠發送無線電信號。如果我們往水星發送無線電信號，然后通過射電望遠鏡觀察反射回來的信號，就可以給水星繪制一幅像“谷歌地球”一樣清晰的地圖了［4］。

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

圖4. 星系中的黑洞向外“發射”的射線噴射流，長度甚至超過星系的寬度。

宇宙中如黑洞這樣質量大的結構能夠讓時空扭曲。就像把一個很重的保齡球放到彈床上，彈床會向下凹陷。下陷的區域如同放大鏡一樣，能把經過此地的來自遙遠星系的無線電波放大。這樣一來，望遠鏡觀察到的遙遠星系所呈現出的圖像變得更大也更亮。

射電望遠鏡還有助于解決宇宙的終極難題：什么是暗物質？宇宙時時刻刻都在不停的膨脹，而且膨脹的速度在加快，因為“暗物質”與重力引力相反，它不是把物質拉到一起，而是極力將它們推開。那么暗物質的能量到底有多強大呢？射電望遠鏡可以通過觀測太空某些區域產生的超脈澤（mega-maser），來幫助科學界解答這個問題［5］。超脈澤就好比激光，只是它發射的是無線電波，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，那么據此就可以推算出這些星系不斷遠離地球的速度。

天文學家的全套“工具箱”

可見，如果我們只有接收可見光的望遠鏡，就會錯過宇宙中發生的很多故事，如同只有聽診器的醫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，醫生就可以對病人進行更加全面的檢測。天文學家也一樣，他們不但要利用射電望遠鏡，還要運用其他不同類型的望遠鏡，包括紫外、紅外、X射線，以及伽馬射線望遠鏡。有了這些利器，天文學家就能繪制更為詳盡的宇宙畫像。

參考文獻：

［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青少年評審：

美國西佛尼吉亞州綠岸中小學的6年級學生：

我們是美國西佛尼吉亞州綠岸中小學的6年級學生，年齡在11-12周歲。我們這一級今年只有一個班，23名同學，而且大部分從幼兒園開始就互相認識了。一位天文觀測站的科學家來過我們班兩次，她向我們講述了關于太空的故事，我們非常喜歡。我們也喜歡上數學課，喜歡討論有關科學的話題。這次，我們很高興，因為英文／語言藝術老師陶曼太太和科學老師史密斯小姐答應幫助我們評審這篇稿件。課余時間，我們喜歡玩各種體育活動，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、聊聊天也是很愜意的事情。

賽先生青少年評審：

黎大可（18歲，高三學生，來自天津市第102中學）

簡介： 從小立志當科學家

點評：

乍一看到這個題目，“射電望遠鏡”，正是我感興趣的話題。近年來，我國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鏡，舉國驕傲，舉世矚目，更堅定了我要成為一名科學家的理想。

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

當然，特別值得一提的是，中國已在北京、上海、新疆、云南、貴州等地建成了6臺射電望遠鏡，他們可不是單打獨斗的。他們強強聯合，組成了一個更加厲害的測量網，來探索宇宙更多的奧秘，為全人類的進步貢獻出中國的力量，這必將成為我們中國新一代青年的責任！

本文譯自Frontiers for Young Mind。

原文標題：What do radio waves tell us about the universe？

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