帶你瀏覽宇宙中的電磁波

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”?？梢姽夤庾拥哪芰恐械取９庾幽芰可愿叩淖贤饩€，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)椤鞍滴镔|(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 Mind。

原文標(biāo)題：What do radio waves tell us about the universe？

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