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射電天文學(xué)
天文學(xué)的分支之一
基本信息
| 中文名 | 射電天文學(xué) |
| 外文名 | radio astronomy |
| 建立時(shí)間 | 1860年 |
| 創(chuàng)始人 | |
| 學(xué)科門類 | 天文學(xué) |
| 定義 | 通過(guò)電磁波頻譜以無(wú)線電頻率研究天體 |
| 方法 | 觀測(cè)天體無(wú)線電波來(lái)研究 天文現(xiàn)象 |
| 學(xué)科代碼 | 16035 |
收起
歷史發(fā)展
在發(fā)現(xiàn)天體會(huì)發(fā)射無(wú)線電波之前，就已經(jīng)有天體可能也會(huì)發(fā)射無(wú)線電波的想法。在1860年代，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的麥克斯韋方程組就已經(jīng)顯示來(lái)自恒星的電磁波輻射可以有任何的波長(zhǎng)，而不會(huì)僅僅是可見(jiàn)光。一些著名科學(xué)家和實(shí)驗(yàn)者，如愛(ài)迪生、奧利弗·洛奇和馬克斯·普朗克都預(yù)言太陽(yáng)應(yīng)該會(huì)發(fā)射出無(wú)線電波。洛奇曾嘗試觀察太陽(yáng)的無(wú)線電信號(hào)，但局限于當(dāng)時(shí)儀器技術(shù)的極限而未能成功。
最早辨識(shí)出的天文學(xué)無(wú)線電波源是偶然發(fā)現(xiàn)造成的意外收獲。在1930年代的早期，美國(guó)貝爾電話公司的一位工程師卡爾·央斯基在使用巨大的定向天線研究越洋無(wú)線電話的聲音在短波上受到的靜電干擾時(shí)，他注意到以紙帶記錄器記下的類比訊號(hào)，持續(xù)的有著來(lái)源不明但會(huì)一直重復(fù)的訊號(hào)。由于這個(gè)訊號(hào)每天有一個(gè)峰值，因此央斯基起初懷疑干擾的來(lái)源是太陽(yáng)。持續(xù)的分析顯示，來(lái)源不隨著太陽(yáng)的出沒(méi)變化，而是以23小時(shí)56分的周期重復(fù)著，這個(gè)特征顯示來(lái)源是一個(gè)固定在天球上的天體，才會(huì)與恒星時(shí)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)它的觀測(cè)和與光學(xué)天文的星圖比對(duì)，央斯基認(rèn)為輻射是來(lái)自銀河，并且朝向中心星座的人馬座方向最強(qiáng)。.他在1933年公布了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，央斯基本想再進(jìn)一步的詳細(xì)研究來(lái)自銀河的無(wú)線電波，但貝爾實(shí)驗(yàn)室重新分配了另一項(xiàng)工作給央斯基，使他不能繼續(xù)在天文學(xué)的領(lǐng)域內(nèi)完成進(jìn)一步的工作。
1937年，格羅特·雷伯修建了一架9米直徑的拋物面碟形無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡，成為無(wú)線電天文學(xué)的先驅(qū)。他以儀器重做了央斯基早期的工作和一些簡(jiǎn)單的工作，也進(jìn)行了第一次的無(wú)線電頻率巡天。.
1940年，雷伯在美國(guó)用自制的直徑9.45米、頻率162兆赫的拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡證實(shí)了央斯基的發(fā)現(xiàn)，并測(cè)到了太陽(yáng)以及其他一些天體發(fā)出的無(wú)線電波。第二次世界大戰(zhàn)中，英國(guó)的軍用雷達(dá)接收到太陽(yáng)發(fā)出的強(qiáng)烈無(wú)線電輻射，表明超高頻雷達(dá)設(shè)備適合于接收太陽(yáng)和其他天體的無(wú)線電波。戰(zhàn)后，一些雷達(dá)科技人員，把雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于天文觀測(cè)，揭開(kāi)了射電天文學(xué)發(fā)展的序幕。
在1942年2月27日，英國(guó)陸軍的研究官員J.S. Hey發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)散發(fā)出無(wú)線電波，開(kāi)始協(xié)助無(wú)線電天文學(xué)的推展。.
到了二十世紀(jì)七十年代，雷伯首創(chuàng)的那種拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡的“后代”，已經(jīng)發(fā)展成現(xiàn)代的大型技術(shù)設(shè)備。其中名列前茅的如德意志聯(lián)邦共和國(guó)埃費(fèi)爾斯貝格的射電望遠(yuǎn)鏡，直徑達(dá)100米，可以工作到短厘米波段。這種大型設(shè)備配上各種高靈敏度接收機(jī)，便可以在各個(gè)波段探測(cè)到極其微弱的天體無(wú)線電波。
科學(xué)發(fā)現(xiàn)
微波背景輻射，是利用射電天文手段獲得的
宇宙微波背景輻射是射電天文學(xué)上的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，它為大爆炸理論提供了有力的支持。
射電天文望遠(yuǎn)鏡也用來(lái)研究離地球近得多的東西，包括太陽(yáng)活動(dòng)、太陽(yáng)系行星的表面。
技術(shù)應(yīng)用
概述
無(wú)線電天文學(xué)家使用不同形式的技術(shù)在無(wú)線電光譜上觀測(cè)天體。儀器也許只是簡(jiǎn)單的針對(duì)一個(gè)能量充沛的無(wú)線電源，分析它所發(fā)射出來(lái)的是何種型態(tài)的輻射。圖像較詳細(xì)的天空區(qū)域，會(huì)有重疊的掃描影像可以被紀(jì)錄和拼合（馬賽克）成單一的影像。使用的儀器種類取決于需要的信號(hào)強(qiáng)度和需要的詳細(xì)的程度。
射電望遠(yuǎn)鏡
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的星系M87光學(xué)影像，使用VLA干涉儀拍到的同一星系，以及使用VLBA獲得的中心區(qū)域影像，這些天線分別位在美國(guó)、德國(guó)、意大利、芬蘭、瑞典和西班牙。顆粒的噴流被懷疑是由位在星系中心的黑洞提供的動(dòng)力造成的。
電波望遠(yuǎn)鏡需要如此的大是因?yàn)樾枰邮苄盘?hào)和獲得高的信噪比，也因?yàn)榻欠直媪κ?物鏡"直徑的函數(shù)，與被觀測(cè)的電磁輻射波長(zhǎng)的比例，相較之下電波望遠(yuǎn)鏡就必需比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大上許多。例如，一架1米口徑的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是觀測(cè)的光波波長(zhǎng)的200萬(wàn)倍，解析力是數(shù)個(gè)弧秒；而一架盤面大上許多倍的電波望遠(yuǎn)鏡，依據(jù)他所觀測(cè)的波長(zhǎng)，也許只能分辨滿月（30弧分）大小的天體。
射電干涉儀
光學(xué)天文觀測(cè)一般是利用光的粒子性，而射電天文觀測(cè)技術(shù)則是利用光的波動(dòng)性（無(wú)線電波也是光的一種）。射電天文觀測(cè)往往能記錄下電磁波的相位信息，這使得人們可以通過(guò)干涉原理，將多臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相干計(jì)算，得到更高的分辨率。理論上，射電干涉儀在某一方向上能達(dá)到的最佳分辨率取決于該方向上相距最遠(yuǎn)的兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的距離。
射電干涉儀的發(fā)明意義重大，它的使用，不僅可以使得射電天文觀測(cè)所能達(dá)到的分辨率超過(guò)光學(xué)天文，也能通過(guò)建立射電望遠(yuǎn)鏡陣列來(lái)增加觀測(cè)靈敏度，突破了射電望遠(yuǎn)鏡單鏡的口徑限制。射電干涉儀的發(fā)明者，英國(guó)劍橋大學(xué)的馬丁·賴爾（Martin Ryle,1918-1984）和安東尼·休伊什（Antony Hewish,1924-- ）因此獲得了1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這也是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第一次授予天文學(xué)研究。
研究課題
值得注意的是，應(yīng)用射電天文手段觀測(cè)到的天體，往往與天文世界中能量的迸發(fā)有關(guān)：規(guī)模最“小”的如太陽(yáng)上的局部爆發(fā)、一些特殊恒星的爆發(fā)，較大的如演化到晚期的恒星的爆炸，更大的如星系核的爆發(fā)等等，都有強(qiáng)烈的射電反應(yīng)。而在宇宙中能量迸發(fā)最劇烈的天體，包括射電星系和類星體，每秒鐘發(fā)出的無(wú)線電能量估計(jì)可達(dá)太陽(yáng)全部輻射的一千億倍乃至百萬(wàn)億倍以上。這類天體有的包含成雙的射電源，有的伸展到周圍很遠(yuǎn)的空間。有些處在核心位置的射電雙源，以視超光速的速度相背飛離。這些發(fā)現(xiàn)顯然對(duì)于研究星系的演化具有重大的意義。高能量的河外射電天體，即使處在非常遙遠(yuǎn)的地方，也可以用現(xiàn)代的射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。這使得射電天文學(xué)探索到的宇宙空間達(dá)到過(guò)去難以企及的深處。
這一類宇宙無(wú)線電波都屬于“非熱輻射”，有別于光學(xué)天文中常見(jiàn)的熱輻射(見(jiàn)熱輻射和非熱輻射)。對(duì)于星系和類星體，非熱輻射的主要起因，是大量電子以接近于光速的速度在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。許多觀測(cè)事實(shí)都支持這種見(jiàn)解。但是，這些射電天體如何產(chǎn)生并不斷釋放這樣巨大的能量，而這種能量如何激起大量近于光速的電子，則是當(dāng)前天文學(xué)和物理學(xué)中需要解決的重大課題。天體無(wú)線電波還可能來(lái)自其他種類的非熱輻射。日冕中等離子體波轉(zhuǎn)化成的等離子體輻射就是一例。而在光學(xué)天文中所熟悉的那些輻射，也同樣能夠在無(wú)線電波段中產(chǎn)生。例如，太陽(yáng)上的電離大氣以及銀河系的電離氫區(qū)所發(fā)出的熱輻射，都是理論上預(yù)計(jì)到的。微波背景的2.7K熱輻射，雖然是一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)，但它的機(jī)制卻是眾所熟知的。
光譜學(xué)在現(xiàn)代天文中的決定性作用，促使人們尋求無(wú)線電波段的天文譜線。五十年代初期，根據(jù)理論計(jì)算，測(cè)到了銀河系空間中性氫21厘米譜線。后來(lái)，利用這條譜線進(jìn)行探測(cè)，大大增加了人們對(duì)于銀河系結(jié)構(gòu)（特別是旋臂結(jié)構(gòu)）和一些河外星系結(jié)構(gòu)的知識(shí)。氫譜線以外的許多射電天文譜線是最初沒(méi)有料到的。1963年測(cè)到了星際羥基的微波譜線。六十年代末又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了氨、水和甲醛等星際分子射電譜線。在七十年代，主要依靠毫米波（以及短厘米波）射電天文手段發(fā)現(xiàn)的星際分子迅速增加到五十多種，所測(cè)到的分子結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，有的鏈長(zhǎng)超過(guò)10個(gè)原子。這些分子大部分集中在星云中。它們的分布，有的反映了銀河系的大尺度結(jié)構(gòu)，有的則與恒星的起源有關(guān)。研究這些星際分子，對(duì)于探索宇宙空間條件下的化學(xué)反應(yīng)將有深刻影響。
三十多年來(lái)，隨著觀測(cè)手段的不斷革新，射電天文學(xué)在天文領(lǐng)域的各個(gè)層次中都作出了重要的貢獻(xiàn)。在每個(gè)層次中發(fā)現(xiàn)的天體射電現(xiàn)象，不僅是光學(xué)天文的補(bǔ)充，而且常常越出原來(lái)的想象，開(kāi)辟新的研究領(lǐng)域。
學(xué)科介紹
天文學(xué)、光學(xué)天文學(xué)、紅外天文學(xué)、X射線天文學(xué)、恒星天文學(xué)、空間天文學(xué)、天體物理學(xué)、恒星物理學(xué)、太陽(yáng)物理學(xué)、行星物理學(xué)、天體力學(xué)、天體動(dòng)力學(xué)、宇宙學(xué)、宇宙化學(xué)、大爆炸宇宙學(xué)、天體測(cè)量學(xué)、實(shí)用天文學(xué)、天體演化學(xué)、天文史學(xué)、考古天文學(xué)。
射電天文學(xué)以無(wú)線電接收技術(shù)為觀測(cè)手段
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