射电天文学是怎么揭开宇宙奥秘的？

编译 乔琦

如果请天文学家挑选出天文学史上最令人激动的一张照片，那么他们中的很多人都会选择你常常能见到的那个橙色环。乍看之下，这张照片似乎也没什么了不起——无非就是一个底部微微隆起的模糊发光的甜甜圈，2021年3月的时候还加上了一些曲线细节——但实际上，这个不起眼的圆圈是人类第一次窥见黑洞，它的颜色并不是黑洞的真实颜色，而是反映了黑洞本身及其周围的射电辐射强度。

这张照片的清晰度非常高，就相当于身处华盛顿特区却看清了远在洛杉矶的一枚硬币上的日期。照片中的橙色环其实是一个5 500万光年之外、质量相当于65亿个太阳的黑洞。照片中的微小细节则表明，这个黑洞正在顺时针转动，并且每年都要消耗相当于上千个地球质量的物质。而那些最近刚添上去的曲线则是强磁场的特征。

黑洞无疑是整个物理学领域最为神秘的物体之一，而这张史无前例的黑洞照片则是射电天文学为我们带来的诸多发现中的最新作品。这张著名照片背后的科学内涵足以令人震惊，但让其成为可能的这门科学本身也同样令人印象深刻。正是因为有了射电天文学，全世界的天文学研究者才能以一种全新的方式协同工作，一道研究宇宙的奥秘。

卡尔·央斯基利用一架昵称叫作“央斯基的旋转木马”的巨大天线在偶然间发现了宇宙射电信号

射电波段位于电磁谱的一端，那儿的电磁波携带的能量都比较低。人类探测到的第一批射电波是在19世纪末通过人工手段由带电加速粒子产生的。射电波（无线电波）调制简单，且波长较长，可以不受干扰地传播很远的距离，因此，人类发现射电波后，就立刻意识到它是极好的通信工具。20世纪初，物理学家知晓了像闪电这样的自然现象也会产生射电波。不过，这类射电波在大多数情况下都是我们想要剔除的“噪声”，因为只有把自然产生的射电波除去，我们才能提升无线电通信技术的分辨力、功率和覆盖范围。

1931年，卡尔·央斯基（Karl Jansky）正是在朝着这个目标努力的过程中偶然发现了“天体射电噪声”。物理学家央斯基当时也是贝尔实验室的工程师，他设计了一个宽100英尺（约合30米）、高20英尺（约合6米）的巨大天线阵列，并将其安放在几辆福特T型车底座上，这样就能让天线自由转动并指向空中的所有方向。同事给这个装置起了个昵称，叫作“央斯基的旋转木马”。

央斯基使用这架天线开展工作后，发现收集到的数据中始终有一个微弱的噪声。央斯基凭借旋转木马的机动性追踪了这个噪声的源头，并且最终确定了它的位置：天线收集到的射电噪声并不是附近的雷暴，也不是地表附近的零星噪声源——它探测到的是来自银河系中心的能量。

央斯基的发现勾起了主流天文学界的好奇心，但反响并不算热烈。由于正值大萧条时期，各大天文台都不愿意把本就有限的资金投入未来不明的新技术领域。不过，一位名叫格罗特·雷伯（Grote Reber）的科学家兼工程师认为央斯基的这项发现很有意思，并且立志要把自己的整个职业生涯都拿来研究这个来自宇宙空间的射电信号。在申请贝尔实验室的工作被拒后，雷伯决定在伊利诺伊的自家后院建一个属于自己的射电望远镜：主体是一个直径31英尺（约合9.45米）的抛物面，上方直接装有射电波接收器。

1988年，站在西弗吉尼亚格林班克雷伯天线前的格罗特·雷伯

雷伯的努力取得了巨大成功，他不仅重复了央斯基的发现，还绘制了人类第一幅全天射电图。此外，他还发现了一些明亮的射电发射源。我们后来才证实，它们是遥远的星系和近期爆发的超新星留下的遗迹。1940年，雷伯在《天体物理学期刊》（TheAstrophysical Journal）上发表了文章，他的工作也勾起了天文学界对射电观测更广泛的兴趣。

射电这种波长较长的电磁波为天文学家打开了一扇观测宇宙的全新窗户。通过射电望远镜，天文学家就能探测到遥远的昏暗热源发出的射电辐射，还能以之前从未想到过的极端方法观测有关加速带电粒子的奇异物理学。射电望远镜率先发现了“脉冲星”——那是一种快速转动着的致密天体，它们是大质量恒星死亡后的遗迹，率先发现了宇宙微波背景辐射（携带着大爆炸信息的宇宙“光”），率先发现了星系（包括我们所在的银河系）中心都存在超大质量黑洞的蛛丝马迹。值得一提的是，央斯基当年收到的来自银河系中心的噪声很有可能就是那个地方的超大质量黑洞发出的。所有这些现象要是只在可见光波段观测，显然都不会有什么成果。

射电天文学取得的科学成果令人惊叹，但对于习惯了拥有闪亮镜面的光学望远镜的人来说，射电望远镜就显得很是奇怪了。不过，考虑到射电波那么长的波长，那么射电望远镜反射面的这个大盘子其实也足够“闪亮”，足以将从天上收集到的射电波反射到接收器中，这个过程和普通光学望远镜的镜面将可见光反射到目镜中并没有什么两样。此外，射电望远镜遵循的原理也和普通光学望远镜一致：一样都是口径越大性能越优秀，一样都是放在昏暗的地方（消除地面光源的干扰）观测才能更高效地工作。

位于波多黎各的阿雷西博望远镜在2020年垮塌之前，始终是全球最大的射电望远镜之一

望远镜镜面越大，我们就能收集到越多的光线，也就能观测本身更加昏暗的天体（想象一下你身处黑暗房间中瞳孔放大时的情景）。此外，望远镜的焦距越长，我们拍出的照片就越加清晰（想象一下身在场馆边线的体育赛事摄影师为捕捉清晰动态画面而使用的长焦镜头）。高清晰度常常是天文学研究中的关键目标，因为有了高清晰度，我们才能准确找到遥远星系中的各个恒星，才能准确绘制星云的形状，而射电天文学研究的是电磁谱中的长波波段，这就给我们提供了另一种建造大型望远镜的方式。射电望远镜的有效口径可以大到令人咋舌的程度，这多亏了一种叫作“干涉”的技术，也即将诸多由小射电望远镜组成的观测阵列收集到的数据汇总到一起，从而达到单架超大望远镜的观测效果，进而为天文学家绘制出超高清晰度的图像。

干涉测量学是一门令人望而生畏的学科，但它也给人类带来了极有意义的成果——正是凭借这项技术，事件视界望远镜才得以将分布于视界各地的8座射电天文台统一起来，形成一架观测效果相当于整个地球的巨型望远镜，从而拍摄到这张著名的黑洞照片。

因此，“大”显然是射电望远镜能够做到的。那么，“暗”呢？解决这个问题的难度就要高多了。讽刺的是，央斯基的最初目标——过滤掉自然界中的射电波源，从而为通信技术的发展扫除障碍——现在已经彻底反转：射电天文学家如今正在现代电子学时代通过这些自然射电波源研究整个宇宙。如果你的眼睛能够看到射电波，那么你所在的房间中就会显现出一大堆令人眼花缭乱的射电信号：无线网络发出的射电波足以形成云状，附近手机的零星闪光也能发出射电波，甚至路过汽车的火花塞产生的微小火光也有射电波相伴而生。

要想阻止这些稀奇古怪的射电波淹没来自宇宙的数据，一种方法是限制望远镜附近的人工射电信号。实际上，西弗吉尼亚的格林班克天文台就是这么做的。这座天文台位于美国国家无线电静默区深处。为了把射电噪声降到最低，无线电静默区严格限制了相关技术的使用，比如：禁止使用无线网络、手机和微波设备，且在这一地区内行驶的所有车辆都使用柴油发动机。（即便如此，此地的研究人员还是曾经因为射电干扰而失去宝贵的观测时间。当时产生干扰的是一群在丛林间飞跃的松鼠。附近的一项保护研究为了掌握有关松鼠迁徙习惯的资料而给这些啮齿动物戴上了GPS项圈。）构成事件视界望远镜的各座天文台散布在全球各处，但所有地点都有一个共同点——无论是南极，还是阿塔卡玛沙漠，抑或是夏威夷最高山峰——那就是都位于极其偏僻的地方，尽可能地远离人类不断发出的射电噪声。

人类掌握的新技术不断增加着射电噪声的影响范围，这点无疑令人沮丧，但同时，这也带来了一种诱人的可能性：我们是否会在未来的某一天观测到不是我们自己产生的人工射电波？

坐落于美国国家无线电静默区深处的西弗吉尼亚格林班克望远镜。这一地区禁止使用某些设备，以保证从宇宙中收到的射电信号不会受到干扰

一直以来，天文学界始终把射电天文学看作搜寻其他世界信号的绝佳方式。实际上，第一项射电天文学实验可以追溯到比央斯基收到银河系中心信号更早的1924年8月。当时，火星来到了近100年内离地球最近的位置。美国天文学家趁此机会为“国家无线电静默日”做宣传，呼吁大家在固定的时间间隔内停用无线电设备，以便接收邻居“火星人”发出的无线电信号。美国海军天文台甚至往一艘飞艇里发射了一个无线电接收器，为的就是收集潜在的火星人讯息，同时还专门配备了一位密码学家以便随时破译这些信息。

如今，地外文明搜索行动（SETI）已经是一项正式的科学项目了。在弗兰克·德雷克（Frank Drake）和吉尔·塔特（Jill Tarter）等著名科学家的带领下，SETI项目研究者通过使用加州艾伦望远镜阵列等难得的设备，拥有了在射电领域作出惊人发现的可能。毕竟，我们在地球上为远距离通信而使用的无线电波同样也会向外传播，也即向整个宇宙广播我们的文明拥有相当程度技术的能力。同样地，远方的文明也完全有可能发出类似的信号，甚至是有目的地传递这些信息，因为他们使用的电磁谱和我们并没有任何不同。

毫无疑问，射电天文学为我们带来了无限可能：有了它，我们就能看到遥远黑洞中本来完全看不见的内容，就能打开全新物理学的大门，甚至可能发现第一件有关地外文明的证据。虽然在外行人看来，射电望远镜或许在外观上有些滑稽，但它们却是天文学研究中的无价之宝，无论是过去、现在还是未来，它们都会不懈地为我们揭开一个又一个宇宙之谜。

资料来源QuantaMagazine