登陆注册
14565500000039

第39章 射电天文望远镜的发明

物理学和天文学的结合产生了天体物理学,在19世纪末达到了鼎盛时期,当时人们广泛使用天文望远镜观测从天体发来的光谱信息。人们分析这些光谱从而大大扩展了对天体的认识。

进入20世纪,无线电开始得到了应用。出乎科学家的预料,无线电工程刚刚发展,就成了天文学的重要工具。到了20世纪中叶,以射电天文望远镜为主要工具的射电天文学已经成为天文学的一个重要分支学科,许多重要天文发现由此产生。一座座射电天文望远镜不分昼夜,在世界各地指向太空,不停地捕捉来自宇宙的信息,其本领远远超过光学望远镜!我们现在就来对射电天文学的发展做些简单的介绍。从中可以看到有关的一些物理学家为射电天文学的发展所做的多项创造性贡献。首先要提到的是宇宙无线电波的发现者,他名叫央斯基(K.G.Jansky)。

央斯基是美国人,1928年大学毕业后来到贝尔实验室工作。他当时的任务是研究短波通信的干扰问题。1931年的一天央斯基在研究短波通信干扰时注意到了一种非常微弱的吱吱声。虽然这样微弱的干扰对无线电通信没有实际影响,他完全可以对其置之不理。但是,央斯基本着对宇宙的好奇心,没有放弃这一异常现象。起初,他以为这种噪声可能与太阳有关系。经过反复考察,他发现这些噪声每天总是提前4分钟发生。他一时不明白这一现象的起因。正好央斯基有一位从事天文学的朋友,他在和这位朋友的交往中学到了许多天文知识。他知道:恒星日比太阳日要短4分钟。这使央斯基想起,这个按时出现但却总要晚4分钟的宇宙无线电波不是来自太阳,一定是同某个恒星有关系。央斯基锲而不舍地紧紧地跟踪这微弱的噪声。

经过一年的监测,终于找到了这个射电源的方位。他绘出了射电源在宇宙上的坐标。原来,这个射电源在银河系中心附近。

这是人类第一次探测到来自太空的无线电波。从此,人类打开了探测宇宙奥妙的又一个窗口……射电天文学从此诞生了。在这之后,射电天文学迅速发展,先后发现了宇宙背景辐射、星际分子、脉冲星和类星体。人们利用射电天文望远镜把自己的视野扩展到100亿光年以外的深远宇宙空间。

提起射电天文学的创建和发展,不能不说到英国剑桥大学卡文迪什实验室和在那里工作的两位著名物理学家,他们是赖尔(MartinRyle)和休伊什(AntonyHewish)。赖尔在射电天文学方面做出了先驱性工作,特别是发明了所谓的综合孔径技术,休伊什则是在发现脉冲星的过程中起了决定性的作用,他们共同获得了1974年诺贝尔物理学奖。

赖尔1918年9月27日生于英格兰的一个书香门第的家庭里,很小就对天文学有特殊的爱好。

他喜欢独自思考,善于动手,学过木工手艺,长大后参加过制造帆船和航海活动。赖尔的祖父是一位业余天文爱好者,拥有一架10厘米的折光望远镜。据说赖尔小时候曾因思考广袤空间为什么能永恒存在而夜不入寐。在中学时代,他对无线电非常感兴趣,自己动手制造发射机,参加业余无线电爱好者活动站。1936年赖尔进入牛津大学基督教会学院学习物理。他对卡文迪什实验室阿普顿(E.V.Appleton)教授的电离层研究很感兴趣,立志要进到卡文迪什实验室参加电离层研究。1939年,他一毕业就被阿普顿的合作者拉特克列夫(J.A.Ratcliffe)教授招到卡文迪什实验室的电离层无线电研究小组,准备跟随拉特克列夫做博士论文。

可是还没有开始就爆发了第二次世界大战。这时战争的需要压倒一切,而雷达和天线的研制又是最急迫的任务。于是,赖尔发挥他对无线电的特长为加强国防出力。在卡文迪什实验室,他开始接触到雷达天线的工作,做了许多模拟试验,还进行过新式天线的设计。不久赖尔应征加入英国空军部研究所,后转电讯研究所工作,他先是从事波长1.5米机载拦截雷达天线系统的研制,并发展了机载定向天线。还参与用于鉴别敌我飞机的机载雷达应答器的研制。1941年初,赖尔负责一个小组,研制厘米波雷达的测试设备,制造了原型的厘米波信号发生器、波长计、功率计和脉冲监视器。

1942年赖尔曾参与研制对付德军监视英国飞机的预警雷达系统的机载干扰发射机和对付德军机载通讯系统的干扰发射机。赖尔还设计了一种非常有效的机载预警接收机,帮助轰炸机及早躲避敌机的拦截雷达的追踪。

1944年,赖尔和他的小组参加了一个复杂的电子欺骗行动,以掩护盟军在诺曼底登陆,他们设计了应答器,模拟舰队的回波雷达信号。这个行动获得了成功。

赖尔还发现德国初期V2火箭的制导是靠地面发射信号来控制火箭最后飞行速度和熄火时刻的秘密,发射信号是隐没在宽带的一大堆混淆信号中的一对频率。为此他设计了一种新型接收机,专门用于搜索这对频率,并用机载的大功率干扰发射机进行干扰,从而达到了破坏V2火箭命中率的目的。

1942年2月12日两艘德国军舰在干扰掩护下逃离英吉利海峡之后两周,英国防空雷达又遇到了一次大干扰。这一干扰曾经使4米防空雷达的回波经常出现消失。人们甚至猜测是不是德国人发明了一种新的干扰器件。但是也有人认为,这一消失可能是来自太阳的射电电波造成的。负责调查这次事件的海伊(J.S.Hey)发现,引起这次干扰的是太阳上一个大黑子群中产生的大耀斑。如果这一不期而遇的现象是真实的,太阳射电就大有研究的价值了。但是由于这个问题涉及军事秘密,没有公开,只有少数人接触到,而知道这个战时军事秘密的正是拉特克列夫。拉特克列夫认为,这是一个极富挑战性的课题。战争期间由于军事问题优先,不可能对这类现象做深入研究。现在战争结束了,由于无线电接收机的灵敏度和信噪比大大提高,使得观测来自太阳的无线电波变成容易得多,有可能做出判决性的结论。因此他就建议刚刚从军队返回卡文迪什实验室的赖尔针对这个问题进行研究。

赖尔和他的同事从1945年12月开始检验来自太阳的米波射电。1947年斯密士(F.G.Smith)加入,1948年休伊什也加入进来了。

1948年太阳黑子周期接近最大,这是一次极好的观测机会,可以全时连续记录来自太阳的射电辐射。以前的观测表明,来自太阳的厘米波辐射是非常明显的,任何时候都可以观测到,然而米波辐射则很少记录,只有在太阳黑子活动较为频繁的期间才能观测到。这是什么原因?是不是在其他时间里太阳就没有米波辐射?或者这一辐射的强度极低,以至仪器的灵敏度无法检测到?

为了回答这个问题,赖尔等人建造了一台设备,可以获得比战时米波雷达高大约100倍的角分辨率,从而探测到比过去所见弱得多的信号。他们发现,太阳米波辐射在所有时间里都可以测到,而且比预想的强得多。

1949年赖尔和翁伯格(D.D.Vonberg)按照自己的方案设计了一台独特的干涉射电天文望远镜。这台仪器由两组天线阵构成,指向子午线,这样就可以当地球旋转时,接收角扫过太阳,从两组天线分别得到的电流在电学仪器上产生干涉图像。天线之间的距离大约为250米,可以随意改变,从干涉图像的变化可以计算出产生射电波的太阳那块表面面积的直径。计算的原理和迈克耳逊干涉望远镜的干涉条纹计算星体直径的原理是一样的。由此赖尔和翁伯格发现,在太阳活动期,射电源是非常密集的,它的大小比太阳本身要小得多。

干涉射电天文望远镜的发展是卡文迪什实验室在射电天文学方面的主要特色。这类望远镜越做越大,角度分辨率越来越高,于是就有越来越多的射电源得以确证,其形状也一一被描绘出来。望远镜的灵敏度增大了,足以探测更弱的、更遥远的射电源。同时,他们也相应地研制出了各种与之有关的电学仪器。

在赖尔的领导下,剑桥大学先后建立了一系列通用和特殊的射电天文望远镜,到了1972年又新开设了5千米的射电天文望远镜,这是相当宏伟的工程。

与这些设备的改进相伴的是,这里用上了更有效的方法。这就是所谓“孔径综合”技术。只要用小的天线,连续地移动到和巨型射电天文望远镜各部分相应的位置,再把信号送到计算机里加以综合,就可以获得跟巨型射电天文望远镜同样的效果。

赖尔是射电天文学的主要创建者之一,他发明的综合孔径射电天文望远镜成为世界各国射电天文学家仿效的典范。他创建的卡文迪什射电天文学基地成为国际上最重要的射电天文研究中心之一。他在射电天文观测技术、射电宇宙学和射电源物理学等方面做出了大量的创造性贡献和发现,使英国的射电天文学研究长期处在领先地位。他培养了大批优秀的射电天文学家,这些人才又在射电天文学中做出了大量成果。休伊什发现脉冲星就是其中最有价值的贡献之一。

同类推荐
  • 地球之肺——森林

    地球之肺——森林

    树木给人类提供了氧气,供人类呼吸生存,同时吸收二氧化碳维持空气的平衡。森林的重要性人人皆知。《地球之肺——森林》以形象生动的语言,开阔读者的视野,使读者对于树木对人类的影响有更进一步的了解,保护好森林,给我们一份清晰的空气!
  • 天文百科图解

    天文百科图解

    全面编撰了宇宙中存在的各种奥秘未解现象和最新探索发展,包括宇宙诞生、宇宙中星星形状、宇宙中长城、银河形成、大气层构成、星座的构成、星系的结构等内容,去伪存真地将未解之谜与科学研究结合起来,非常适合广大青少年读者阅读和收藏。
  • 低碳生活与环境保护

    低碳生活与环境保护

    谢芾主编的《低碳生活与环境保护》为丛书之一。《低碳生活与环境保护》内容涉及低碳生活与环境保护的各个侧面,文字浅显易懂,生动活泼。
  • 必学的数学智力

    必学的数学智力

    数学是研究数量、结构、变化以及空间模型等概念的一门学科,是透过抽象化和逻辑推理的使用,在计数、计算、量度和对物体形状及运动的观察中产生的一门学科。基础数学知识的学习与运用是个人与团体生活中不可缺少的一个重要组成部分。然而,对于这样一门重要的学科,一些同学却视为畏途,兴趣淡漠,这使一些教师、家长乃至专家、学者大伤脑筋。事实上,“兴趣是最好的老师”,对任何事物,只要有了兴趣,就能产生学习钻研的冲动,就能取得理想的效果。兴趣是打开科学大门的钥匙,中小学生对数学不感兴趣的根本原因是没有体会到蕴含于数学之中的奇趣和美妙。
  • 青少年身边的环保丛书:人类的生态困境

    青少年身边的环保丛书:人类的生态困境

    本书由谢芾主编,是一本自然科学类读物。环境问题的实质是社会、经济、环境之间的协调发展问题以及资源的合理开发利用问题。本书包括了人类生活、自然和生态等各种关系的方方面面,从而让青少年了解环境保护对我们的重要性,以环境保护为己任。在《人类的生态困境》里,既有令人感动的环保故事,又有深刻实用的环保知识,它会使我们每一个人都能成为一名守护地球家园的忠诚卫士。
热门推荐
  • 异世:跨越千年来爱你

    异世:跨越千年来爱你

    跨越千年来爱你,却不知早已命中注定。双生姐妹在机缘巧合之下一起穿越到异世,遇到了命中注定的另一半,却不知,她们的红线在很久以前就已经连在了一起,经历了那么多波折,依然爱着,不曾后悔。“其实我从未恨过你,又怎么谈得上原谅。”“即使经历千年,我的心,从未为他人跳动过。”“无关过去与未来,我爱的只是现在,在我心里、眼里的你。”
  • 追爱之再情难逃

    追爱之再情难逃

    你若在我身旁,情敌三千又何妨。我若在你心里,一无所有又怎样。一里桃花拂衣袖,怎奈桃花香似海。若有伊人相伴,死又何惧。只是,我一去不返。以后,谁来暖你,护你,疼你,爱你……
  • 一生的资本(最伟大的励志书)

    一生的资本(最伟大的励志书)

    成功之道是相通的,本书最大的特点就是实用性和可读性,它挖掘了不同的背景、不同条件下客观存在的人们身上的每一种资本,以我们身边和大家熟知的成功人士的真实硌事说明这些资本对人生的重要性,以及运用这些资本走向成功的可能性和必然性。在《一生的资本》里,马登告诉你,每个人都拥有获得财富的资本,认识到这些资本,并懂得如何运用这些资本,将会让你梦想成真。
  • 奇点灵域

    奇点灵域

    尖叫声戛然而止,还没跑几步就失去脑袋的身躯重重的摔倒在地,喷射而出的血液在夜色的侵染下也变成了黑色,其余的两只小猿被发生在身旁的惨剧吓呆了,忘记了尖叫,也忘记了逃跑......
  • 音之搜传说(爱玩它系列)

    音之搜传说(爱玩它系列)

    [花雨授权]想她杜音不过是个平凡的少女,当真是没什么天理!一边是旧爱,一边是新欢,确实够让人左右为难,到底要如何选择才能对得起春光灿烂的十八岁?
  • 盛宠邪妃:腹黑帝王精明妃

    盛宠邪妃:腹黑帝王精明妃

    她是他的一枚棋子,还是屡试不死的那种。看着眼前不修边幅的人儿,魅惑阴郁的眼不禁深究,明明邋遢可恶的要命,自己怎么就栽她身上了?!【新文推荐——火鸟烈焰:千面伊宠】
  • 首席大人,别欺我

    首席大人,别欺我

    莫连城“冷若冰你不是一直都想离开我吗?好,我给你一次机会走了那就别在回来”。莫连城愤怒的对着冷若冰吼着。“谢谢你,莫连城”。虽然不舍,心疼但总比两人互相伤害要好。婚前。“什么,莫先生我没听错吧”。冷若冰一脸惊讶的看着莫连城。莫连城丝毫不在意的拿着手机问道。“怎么有疑问吗”?恢复以前淡定的冷若冰看着眼前这个男人。“好”。冷若冰淡定的对着莫连城开口。结婚后。老婆,我冷我们睡觉吧。哦。莫连城你不睡觉干嘛。老婆,冷所以的动动就不冷了。什么高冷,什么竞欲系的都是骗人的。老婆,他们说的没用你说了才有用,对吧…(今生你守我爱我,来世我等你。)莫连城,冷若冰
  • 彭格列与我同在

    彭格列与我同在

    主角宅男凌风穿越到妖尾世界,同时他有着《家庭教师》彭格列一代的外貌和七种死气之炎的能力!同时他只要有足够的精神力就可以召唤二次元人物!同时到后来他才知道,他可以凝聚所有死气之炎!获得穿越各个时间与世界的能力!就看他如何玩转时间与世界吧!
  • 最强娱乐红包

    最强娱乐红包

    远程刷了一次机后,梁夏的手机莫名多了一个无法退出的明星红包群。“恭喜您,抢得小公举的《双截棍》”“恭喜您,抢得小城城的《绝对舞感》”“恭喜您,抢得李小迪的《钢琴大师》”“恭喜您,抢得周星星的《演员的自我修养》”“恭喜您,抢得汪头条的——皮裤”“whatareyou,弄啥嘞?”然而,一脸懵逼的梁夏不知道的是,他的手机除了莫名多了一个无法退出的明星红包群,还多了一批无法拉黑、无法屏蔽的怪人!……“MJ?猫王?布鲁斯李?哥哥?家驹……”“你们都是明星?拜托,别闹了!青山医院在隔壁……”
  • 穿越之冷酷王爷戏萌女

    穿越之冷酷王爷戏萌女

    花开彼岸,魂在忘川异世重生,红光现世她是若府人人皆知的废材一枚,她是死神组织的最高首领,她被推下湖水溺死,她被推下悬崖,穿越!遇到了他,两人冥冥之中就有着联系她与他相遇,会有怎样的结局