射電天文學如何揭示宇宙
如果您讓天文學家選擇所有天文學中最令人興奮的圖片，我們中的許多人會指向一個熟悉的橙色環。乍一看，它可能看起來並不多——一個模糊的發光甜甜圈，底部略微鼓起，截至上個月，還有彎曲的線條——但實際上，這個不起眼的圓圈是人類第一次看到黑洞，有顏色選擇不是模仿現實主義，而是表明無線電發射的強度。
銀河在加利福尼亞的艾倫望遠鏡陣列上方閃耀
這張照片如此清晰，就像站在華盛頓特區時在洛杉磯閱讀四分之一的日期一樣，這張照片揭示了一個黑洞，其質量是我們自己太陽的 65 億倍，位於星系的中心 5500 萬光——多年以後。圖片的微小細節揭示了黑洞順時針旋轉，每年消耗相當於數百個地球質量的物質。即使是新鑿的線條也代表了強磁場的跡象。
這是所有物理學中最神秘物體之一的史無前例的圖片，是射電天文學使之成為可能的一長串發現中的最新一個。這張著名影象中所包含的科學可能令人興奮，但使之成為可能的科學本身就令人印象深刻，它使全球各地的研究人員能夠以一種全新的方式研究宇宙。
無線電系統位於電磁波譜的一個極端，在那裡光波具有低能量。由帶電粒子加速產生的第一個探測到的無線電波是在 1800 年代後期人工產生的。無線電波製作簡單，波長長，可以不受干擾地遠距離傳播，無線電波立即被視為一種出色的通訊工具。到 20 世紀初，物理學家知道電波也可以由自然現象（如閃電）產生，但他們主要想避免這些討厭的“噪音”來源，以提高無線電通訊技術的清晰度、功率和覆蓋範圍。
卡爾·揚斯基 (Karl Jansky) 於 1931 年首次偶然發現“星噪聲”時，正是為了這個目標而努力。作為貝爾實驗室的物理學家和工程師，他設計了一個 100 英尺寬、20 英尺高的巨大天線，安裝在一組 T 型輪胎上所以它可以旋轉並指向任何方向。他的同事給這個裝置起了個綽號“詹斯基的旋轉木馬”。
Karl Jansky 偶然發現了宇宙無線電訊號，使用了一個綽號為“Jansky 的旋轉木馬”的旋轉天線
當揚斯基開始使用天線時，他注意到他的資料中有一種微弱但持續的嘶嘶聲。利用旋轉木馬的機動性，他追蹤源頭並最終確定了它的位置。天線沒有接收到附近的雷暴或地球輻射的雜散源——它正在檢測來自銀河系中心的能量。
Jansky 的發現主要引起了天文學界的輕微好奇。在大蕭條期間，天文臺不願意將有限的資金用於投機性新技術。但是一位名叫格羅特·雷伯（Grote Reber）的年輕科學家和工程師發現詹斯基的發現很吸引人，併發誓將他的職業生涯致力於研究來自太空的無線電訊號。在貝爾實驗室的一份工作被拒絕後，他決定在伊利諾伊州的後院建造自己的射電望遠鏡：一個 31 英尺長的拋物面天線，無線電接收器直接安裝在其上方。
1988 年，Grote Reber 站在西弗吉尼亞州格林班克的 Reber 天線前
他的努力取得了巨大的成功，複製了揚斯基的觀察結果，然後建立了第一張天空射電圖。他發現了明亮的無線電發射點，這些點後來被確定為遙遠的星系和最近超新星留下的碎屑。到 1940 年，Reber 發表在《天體物理學雜誌》上，他的工作在天文學界對無線電觀測產生了更廣泛的興趣。
觀察這些更長的波長為天文學家提供了一個全新的瞭解宇宙的視窗，使他們能夠探測到微弱的遙遠熱源和能夠以極端和意想不到的方式加速帶電粒子的奇異物理學的輝光產生的無線電輻射。射電望遠鏡是第一個發現被稱為脈衝星的死大質量恆星的快速旋轉緻密殘骸、宇宙微波背景（帶有大爆炸本身指紋的光）以及星系中心超大質量黑洞的第一個跡象，包括我們自己的——揚斯基最初發現的可疑來源。如果你只看可見光，這些現象是完全不可見的。
射電天文學是令人興奮的，但對於那些習慣於透過他們窺視的閃亮鏡面望遠鏡的人來說，這些望遠鏡看起來絕對很奇怪。然而，在射電光的長波長下，射電望遠鏡的天線也很閃亮，將無線電波從天空反射到接收器，就像可見光從望遠鏡的鏡子反射到目鏡一樣。射電望遠鏡也遵循與可見光望遠鏡相同的基本原則：最有效的望遠鏡應該放在黑暗的地方（以消除光源），而且越大越好。
波多黎各的阿雷西博天文臺曾經是世界上最大的射電望遠鏡之一的所在地，直到 2020 年倒塌
雖然大望遠鏡區域可以讓我們收集更多光線並觀察較暗的物體（想想你的瞳孔在黑暗的房間裡擴張），但大望遠鏡直徑有助於我們拍出更清晰的照片（想想體育攝影師用來捕捉清晰動作的巨大長焦鏡頭體育場場邊的照片）。這種清晰度通常是天文學的一個關鍵目標，因為它使我們能夠精確定位遙遠星系中的單個恆星或繪製星雲的精確形狀，而射電天文學的長波長提供了一種不同的方式來建造大型望遠鏡。藉助一種稱為干涉測量法的技術，射電望遠鏡可以實現令人難以置信的大有效直徑，該技術結合了來自一系列較小的單個天線的資料，使它們能夠充當一個巨大的望遠鏡，產生單一的清晰影象。干涉測量科學令人生畏，
對於射電望遠鏡來說，“大”顯然是可能的。“暗”呢？這帶來了更大的挑戰。具有諷刺意味的是，對於現代電子時代試圖研究宇宙的射電天文學家來說，揚斯基最初的目標——過濾掉無線電波的自然來源併為通訊技術讓路——現在被逆轉了。如果你的眼睛可以在無線電光中看到，你周圍的房間將變成一堆令人眼花繚亂的無線電訊號：一團Wi-Fi網路，附近手機發出的零星光線，甚至火花塞產生的微小閃電的閃爍在過往的汽車中。
防止這種混亂淹沒宇宙資料的一種方法是限制附近的人造無線電訊號，就像西弗吉尼亞州的綠岸天文臺所做的那樣。該設施位於國家無線電靜默區的深處，該區域限制了將無線電噪音降至最低的技術：禁止使用 Wi-Fi、手機和微波爐，所有車輛都使用柴油發動機。（即便如此，在附近的一項保護研究為齧齒動物戴上 GPS 項圈以研究它們的遷徙習性之後，這裡的研究人員曾經因為飛鼠的噪音而失去觀察時間。）組成事件視界望遠鏡的各個天文臺可能分佈在全球各地，但每個地點——從南極到阿塔卡馬沙漠，再到夏威夷最高的山峰——絕對是偏遠的，儘可能與人類不斷侵入的噪音隔絕。
西弗吉尼亞州的綠岸望遠鏡位於國家無線電靜默區內，禁止使用某些裝置，以免干擾來自太空的無線電訊號
新技術會增加無線電噪聲的擴散，雖然令人沮喪，但它也提出了一個誘人的可能性：我們有一天會觀察到不是我們自己製造的人造無線電波嗎？
射電天文學長期以來一直被認為是搜尋來自其他世界的訊號的好方法。事實上，第一個射電天文學實驗可以追溯到揚斯基之前到 1924 年 8 月，當時火星在近一個世紀以來最接近地球。美國的天文學家宣傳“全國無線電靜默日”，鼓勵人們定期停止使用無線電，希望來自鄰近火星的訊號能夠透過。美國海軍天文臺甚至在飛船上傳送了一個無線電接收器來接收潛在的火星資訊，並在手頭有一個密碼學家，以防需要翻譯。
今天，尋找外星智慧（SETI）是一項嚴肅的科學努力。在弗蘭克·德雷克和吉爾·塔特等著名科學家的帶領下，並使用加利福尼亞的艾倫望遠鏡陣列等來之不易的設施，SETI 研究人員接受了無線電體制提供的令人興奮的發現可能性。畢竟，地球上用於長途通訊的無線電波也向外傳播，向宇宙傳播我們技術實力的跡象。遙遠的文明完全有可能發出類似的訊號，甚至試圖故意傳輸資訊，因為它們將處理與我們相同的電磁頻譜。
顯然，射電天文學為我們提供了無限的可能性：能夠看到遙遠黑洞中不可見的東西，解開令人興奮的新物理學，甚至有可能找到我們關於外星智慧的第一個證據。射電望遠鏡在外行看來可能很有趣，但它是天文學的寶貴工具，它將繼續揭示宇宙的新部分供我們探索。
作者：Emily Levesque
FY：11
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯絡作者刪除
