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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(mén)類(lèi) | 天文學(xué) |
| 定義 | 通過(guò)電磁波頻譜以無(wú)線(xiàn)電頻率研究天體 |
| 方法 | 觀(guān)測天體無(wú)線(xiàn)電波來(lái)研究 天文現象 |
| 學(xué)科代碼 | 16035 |
收起
歷史發(fā)展
在發(fā)現天體會(huì )發(fā)射無(wú)線(xiàn)電波之前，就已經(jīng)有天體可能也會(huì )發(fā)射無(wú)線(xiàn)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(cháng)，而不會(huì )僅僅是可見(jiàn)光。一些著(zhù)名科學(xué)家和實(shí)驗者，如愛(ài)迪生、奧利弗·洛奇和馬克斯·普朗克都預言太陽(yáng)應該會(huì )發(fā)射出無(wú)線(xiàn)電波。洛奇曾嘗試觀(guān)察太陽(yáng)的無(wú)線(xiàn)電信號，但局限于當時(shí)儀器技術(shù)的極限而未能成功。
最早辨識出的天文學(xué)無(wú)線(xiàn)電波源是偶然發(fā)現造成的意外收獲。在1930年代的早期，美國貝爾電話(huà)公司的一位工程師卡爾·央斯基在使用巨大的定向天線(xiàn)研究越洋無(wú)線(xiàn)電話(huà)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(lèi)比訊號，持續的有著(zhù)來(lái)源不明但會(huì )一直重復的訊號。由于這個(gè)訊號每天有一個(gè)峰值，因此央斯基起初懷疑干擾的來(lái)源是太陽(yáng)。持續的分析顯示，來(lái)源不隨著(zhù)太陽(yáng)的出沒(méi)變化，而是以23小時(shí)56分的周期重復著(zhù)，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)同步轉動(dòng)。通過(guò)它的觀(guān)測和與光學(xué)天文的星圖比對，央斯基認為輻射是來(lái)自銀河，并且朝向中心星座的人馬座方向最強。.他在1933年公布了這項發(fā)現，央斯基本想再進(jìn)一步的詳細研究來(lái)自銀河的無(wú)線(xiàn)電波，但貝爾實(shí)驗室重新分配了另一項工作給央斯基，使他不能繼續在天文學(xué)的領(lǐng)域內完成進(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(xiàn)電望遠鏡，成為無(wú)線(xiàn)電天文學(xué)的先驅。他以?xún)x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(xiàn)電頻率巡天。.
1940年，雷伯在美國用自制的直徑9.45米、頻率162兆赫的拋物面型射電望遠鏡證實(shí)了央斯基的發(fā)現，并測到了太陽(yáng)以及其他一些天體發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波。第二次世界大戰中，英國的軍用雷達接收到太陽(yáng)發(fā)出的強烈無(wú)線(xiàn)電輻射，表明超高頻雷達設備適合于接收太陽(yáng)和其他天體的無(wú)線(xiàn)電波。戰后，一些雷達科技人員，把雷達技術(shù)應用于天文觀(guān)測，揭開(kāi)了射電天文學(xué)發(fā)展的序幕。
在1942年2月27日，英國陸軍的研究官員J.S. Hey發(fā)現太陽(yáng)散發(fā)出無(wú)線(xiàn)電波，開(kāi)始協(xié)助無(wú)線(xiàn)電天文學(xué)的推展。.
科學(xué)發(fā)現
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，它為大爆炸理論提供了有力的支持。
射電天文望遠鏡也用來(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)應用
概述
無(wú)線(xiàn)電天文學(xué)家使用不同形式的技術(shù)在無(wú)線(xiàn)電光譜上觀(guān)測天體。儀器也許只是簡(jiǎn)單的針對一個(gè)能量充沛的無(wú)線(xiàn)電源，分析它所發(fā)射出來(lái)的是何種型態(tài)的輻射。圖像較詳細的天空區域，會(huì )有重疊的掃描影像可以被紀錄和拼合（馬賽克）成單一的影像。使用的儀器種類(lèi)取決于需要的信號強度和需要的詳細的程度。
射電望遠鏡
哈勃太空望遠鏡拍攝的星系M87光學(xué)影像，使用VLA干涉儀拍到的同一星系，以及使用VLBA獲得的中心區域影像，這些天線(xiàn)分別位在美國、德國、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。
電波望遠鏡需要如此的大是因為需要接受信號和獲得高的信噪比，也因為角分辨力是"物鏡"直徑的函數，與被觀(guān)測的電磁輻射波長(cháng)的比例，相較之下電波望遠鏡就必需比光學(xué)望遠鏡大上許多。例如，一架1米口徑的光學(xué)望遠鏡是觀(guān)測的光波波長(cháng)的200萬(wàn)倍，解析力是數個(gè)弧秒；而一架盤(pán)面大上許多倍的電波望遠鏡，依據他所觀(guān)測的波長(cháng)，也許只能分辨滿(mǎn)月（30弧分）大小的天體。
射電干涉儀
光學(xué)天文觀(guān)測一般是利用光的粒子性，而射電天文觀(guān)測技術(shù)則是利用光的波動(dòng)性（無(wú)線(xiàn)電波也是光的一種）。射電天文觀(guān)測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，將多臺射電望遠鏡的觀(guān)測數據進(jìn)行相干計算，得到更高的分辨率。理論上，射電干涉儀在某一方向上能達到的最佳分辨率取決于該方向上相距最遠的兩臺望遠鏡的距離。
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(guān)測所能達到的分辨率超過(guò)光學(xué)天文，也能通過(guò)建立射電望遠鏡陣列來(lái)增加觀(guān)測靈敏度，突破了射電望遠鏡單鏡的口徑限制。射電干涉儀的發(fā)明者，英國劍橋大學(xué)的馬丁·賴(lài)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。這也是諾貝爾物理學(xué)獎第一次授予天文學(xué)研究。
研究課題
值得注意的是，應用射電天文手段觀(guān)測到的天體，往往與天文世界中能量的迸發(fā)有關(guān)：規模最“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，都有強烈的射電反應。而在宇宙中能量迸發(fā)最劇烈的天體，包括射電星系和類(lèi)星體，每秒鐘發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電能量估計可達太陽(yáng)全部輻射的一千億倍乃至百萬(wàn)億倍以上。這類(lèi)天體有的包含成雙的射電源，有的伸展到周?chē)苓h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)現顯然對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，即使處在非常遙遠的地方，也可以用現代的射電望遠鏡觀(guān)測到。這使得射電天文學(xué)探索到的宇宙空間達到過(guò)去難以企及的深處。
這一類(lèi)宇宙無(wú)線(xiàn)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)。對于星系和類(lèi)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)中的運動(dòng)。許多觀(guān)測事實(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(xiàn)電波還可能來(lái)自其他種類(lèi)的非熱輻射。日冕中等離子體波轉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(xiàn)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所發(fā)出的熱輻射，都是理論上預計到的。微波背景的2.7K熱輻射，雖然是一個(gè)驚人的發(fā)現，但它的機制卻是眾所熟知的。
光譜學(xué)在現代天文中的決定性作用，促使人們尋求無(wú)線(xiàn)電波段的天文譜線(xiàn)。五十年代初期，根據理論計算，測到了銀河系空間中性氫21厘米譜線(xiàn)。后來(lái)，利用這條譜線(xiàn)進(jìn)行探測，大大增加了人們對于銀河系結構（特別是旋臂結構）和一些河外星系結構的知識。氫譜線(xiàn)以外的許多射電天文譜線(xiàn)是最初沒(méi)有料到的。1963年測到了星際羥基的微波譜線(xiàn)。六十年代末又陸續發(fā)現了氨、水和甲醛等星際分子射電譜線(xiàn)。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)現的星際分子迅速增加到五十多種，所測到的分子結構愈加復雜，有的鏈長(cháng)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構，有的則與恒星的起源有關(guān)。研究這些星際分子，對于探索宇宙空間條件下的化學(xué)反應將有深刻影響。
三十多年來(lái)，隨著(zhù)觀(guān)測手段的不斷革新，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。在每個(gè)層次中發(fā)現的天體射電現象，不僅是光學(xué)天文的補充，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(xiàn)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(xiàn)電接收技術(shù)為觀(guān)測手段
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