“天眼”前传
阅读提示：“射电天文学”在天文学中可不是小众——根据天文学家的统计，现代天文学知识中约有65%来自射电天文学。
撰稿｜孙正凡（天文学博士）
望远镜是什么很多人都知道，可“射电”是什么，估计没有多少人能脱口而出了。
其实每个人都在用“射电”，它就是我们说的“无线电”，我们日常接触的广播电视、移动电话基站，还有我们四处搜寻的WiFi，用的都是它。只不过在天文学领域里，习惯上把英文“radio”翻译成“射电”而已。
虽然“射电”这个词随着FAST新闻报道走向中国大众这大概是头一回，但“射电天文学”在天文学中可不是小众——根据天文学家的统计，现代天文学知识中约有65%来自射电天文学。
“无线电”的目的是把信息传递到千家万户，那么通过“射电望远镜”，我们能听到来自宇宙天体的广播吗？
从方程里诞生的“无线电”
长距离信息的传输一直是人类社会颇为关切、又一直头痛的大问题。杜甫诗句说“烽火连三月，家书抵万金”，这一声平安道得着实不容易。而“烽火”这种消息传递形式虽然速度快，但可以传递的内容毕竟有限。
随着电磁学的发展，1864年，英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦总结出了描写电磁现象的麦克斯韦方程组，在方程里存在一个常数是光速，因此他预言了电磁波的存在，并指出光的本质就是一种电磁波。1887年，德国物理学家海因里希·赫兹利用线圈成功地产生了电磁波，从而验证了麦克斯韦理论。这个理论指出，电磁波的速度是光速（等于波长和频率的乘积），因此随着波长（或频率）不同，存在各种各样的电磁波，这就是所谓的“电磁波谱”。为了纪念赫兹的贡献，电磁波频率的单位被命名为“赫兹”，我们熟悉的“千赫”“兆赫”都是由此而来。
正如我们在历史课上已经学过的，1898年，也就是赫兹找到了电磁波11年之后，意大利工程师伽利尔摩·马可尼在伦敦完成了跨越英吉利海峡的电磁波通信实验。与几十年前发明的有线电报相比，马可尼的“无线电报公司”不需要费时费力，尤其是费钱铺设电缆，因此他所利用的电磁波，也就是比红外线频率更小、波长更长的部分，被称为“无线电波”（radio waves）。
由此时开始，无线电报事业开始蓬勃发展起来，它不需电缆，从而成本比较低，只要有收发报机、有业务员就可以工作。这就是我们在电影电视剧里常看到的“永不消逝的电波”的场景。
早期的射电天文学
1930年代，美国贝尔实验室在开展跨大西洋无线电话业务时，想调查一下短波（频率3兆赫-30兆赫）存在哪些可能的干扰源，于是指派了一位工程师卡尔·央斯基（Karl Jansky）来做这份工作。
央斯基为此建造一架天线探测20.5兆赫无线电波（波长14.6米），它架在一个桌面上，桌面下面安装了四个轮胎的驱动系统，从而可以探测任意方向的信号源。当时他的同事们把这个装置称为“央斯基的旋转木马”。
工作了几个月之后，央斯基把干扰信号源分成了三类：近处的雷暴、远方的雷暴，以及一种未知的微弱稳定信号源。他又花了一年时间来调查这第三种干扰源的性质。
他一开始发现干扰源最强的位置每天升起落下一次，使他以为信号来自太阳。经过几个月跟踪之后，信号源与太阳分开了，这时央斯基也发现，信号重复的周期不是24小时，而是23小时56分，这是地球相对于恒星自转的周期。经过与天文图像对比，他确认这些无线电辐射来自银河系，信号最强的方向正好是在人马座方向，这里是银河系的中心所在。
这份报告在1933年出版，并在5月5日的《纽约时报》上做了报道。央斯基向贝尔实验室申请建造一架灵敏度更高的天线，进行更仔细的测量，但贝尔实验室认为既然这些信号源不足干扰洲际无线电通信，因此给央斯基指派了其他的工作，从此无线电工程师央斯基告别了他无意中开辟的“射电天文学”。
虽然央斯基并不是一位真正的天文学家（天文学家们当时还没有开始注意到“无线电”与天文的关系），他的工作也由于当时的经济大萧条而没有引起天文学界的足够重视，但这毕竟是第一份射电天文学报告。为了纪念他的贡献，射电天文学把射电信号的辐射强度单位命名为央斯基；2012年，美国国家射电天文台的射电望远镜“甚大阵”（出现在电影《超时空接触》的海报上）也为向他致敬而重新命名为“卡尔·央斯基甚大阵”，并在旁边复制了他当时所用的天线。
射电辐射强度“央斯基”这个单位之所以那么小，是因为射电波的能量非常非常低——半个多世纪以来，全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸。
另一位重要的射电天文学家是美国的格鲁特·雷伯，他受到央斯基论文的启发，1937年在自家后院建立了口径为9米的抛物线形金属盘射电望远镜，这是比央斯基的天线更先进的技术。由于雷伯没有参军，得以在1941年-1943年绘制了全天射电亮度分布图，其中首次记录了天鹅座A和仙后座A两个强辐射源。
雷伯利用不同波段进行全天测量，他发现了一个奇怪的现象。按照恒星这样的发光能量分布（即黑体辐射），在射电波段，越往波长越长（频率和能量越低）的方向，分配的能量应该越少，也就是波长越长的射电波亮度应该比较暗。但观测结果恰好相反，长波亮度反而比较亮。
其中的原因直到1950年代才得到解释。原来还存在另外一种发光机制，叫“同步辐射”，即带电粒子在运动速度接近光速在电磁场中偏转时，由于相对论效应，沿运动的切线方向发出的一种电磁波辐射。因此这个观测既证明宇宙中普遍存在磁场，而且在天上证明了相对论效应。
雷伯所用的射电望远镜，后来被美国国家射电天文台永久收藏，实际上，央斯基的天线也是雷伯主持复制的。这两架形式不同的探测器见证了早期射电天文学发展的历史，成为对两位射电天文开创者最好的纪念。
1960年代的四大发现
就像央斯基无意中开辟了射电天文学，在科学发展中总是出现许多意外的变数。对于射电（无线电）天文学来说，第二次世界大战是一个重要的时间点。在二战之前，只有少数几位科学家注意到了射电天文学这个方向。二战期间，为了应对德军的空袭，无线电科学家们被征召入伍，雷达技术获得迅速的发展（雷达实际上就是“无线电/射电探测器”的缩写音译）。在此期间，科学家们对太阳和电离层进行了深入研究。
二战之后，科学家们从战场回到学校，利用在二战期间发展起来的雷达技术，欧美大学里纷纷建立研究射电天文学的科学小组，从而迎来射电天文学的大爆发。
1950年代，剑桥大学的科学家马丁·赖尔和安东尼·休伊什发展了利用地球自转的口径综合技术，同时期发展的还有干涉仪技术，从而能够克服早期望远镜较小的困难，获得相当于数千米的“等效口径”。到了1960年代，射电天文学取得了一系列重大的科学成功，尤其是被誉为“天文学四大发现”的类星体、脉冲星、微波背景辐射和星际有机分子，这些重大发现标志着“天体物理学”的成熟，成为现代天文学的主要研究领域，极大地促进了天体和宇宙演化、生命起源等相关领域的发展。
脉冲星及引力波的发现
脉冲星是由英国剑桥大学卡文迪许实验室的休伊什领导的研究小组的研究生贝尔首先发现的，她在夜间使用射电望远镜观测时，记录到了狐狸座里有一组很强的脉冲信号起伏。它虽然时强时弱，但每隔23小时56分准时出现，因此可以确认来自太空。休伊什等人一度设想这个很有规则的脉冲信号可能是来自地外文明发出的信号，于是戏称为“小绿人”。当时发现了好几个这样极其规律的脉冲信号源。经过一年的研究，他们终于确认了这种射电源的是一种奇异的天体：高速自转的中子星。
这个结论立即引起了天文学和物理学界的轰动，因为虽然早在1930年代，随着相对论和粒子物理学的发展，天文学家巴德和茨维基就提出可能存在极其致密的中子星，它的密度可能达到每立方厘米1亿吨，但是一直没有得到观测证实，而且这样奇异的天体是否存在人们也不敢相信。直到脉冲星被发现后，经过计算，它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样，中子星才真正由假说成为事实。
脉冲星的产生是恒星演化末期的一种残骸。这类恒星坍缩之后电子被压入原子核，形成中子，这时候恒星依靠中子的简并压与引力保持平衡，这就是中子星。典型中子星的半径只有几公里到十几公里，质量却在1-2倍太阳质量之间。由于自转角动量守恒，因此坍缩后半径极小的中子星自转速度极高。带电粒子会在极强中子星磁场中运动，形成了同步辐射，产生极强的射电波束。因此脉冲星又被誉为宇宙灯塔。由于脉冲具有很强的规律性，在未来跨越星际的宇宙航行中，它将成为航天器的定位标志，成为名副其实的“灯塔”。
休伊什因为发现脉冲星和发展综合孔径技术的赖尔一起获得了1974年的诺贝尔物理学奖。就在这一年的年底，美国普林斯顿大学的拉赛尔· 赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了射电脉冲双星PSR 1913+16，即两颗脉冲星组成的双星系统。它们之间的距离与太阳半径差不多。经过对双星系统的轨道参数以及各种相对论效应十年观测之后，他们发现双星绕转周期的变化速度与广义相对论预言的引力波辐射导致的能量损失完全一致。这是引力波存在的第一个间接定量证据, 是对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证，因而获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
这次获奖又极大地促进了对引力波的直接寻找，因而才有了2016年初引力波的直接发现。
从射电望远镜诞生至今，人类共发现了约2500颗脉冲星。如果FAST望远镜的工作时间全部用于观测脉冲星，它一年时间内就有望将这个数量翻倍。FAST还有可能会发现一些前所未见的脉冲星现象，比如说脉冲星和黑洞组成的奇特双星系统，这些研究对于致密星演化及其相对论效应会产生重要影响。
确认宇宙大爆炸
爱因斯坦用他的广义相对论方程计算最大的研究对象“宇宙”时，他惊讶地发现，方程竟然没有稳定解，因此在1917年发表文章时，他引入了一个“宇宙学常数”来平衡引力，让方程计算出的宇宙“稳定”下来。
但是过了12年，爱因斯坦发现自己犯了此生“最大的一个错误”，美国天文学家埃德温·哈勃发现，几乎所有的星系都在离我们远去——宇宙恰恰不是稳定的，它正在膨胀！不过，虽然有些天文学家们接受了哈勃这个伟大的、颠覆性的发现，却没有多少人真正把它当回事儿，也不知道应该做些什么。
在1948年前后，即使物理学伽莫夫量子物理学讨论早期宇宙演化的时候，在科学界也没有得到响应。伽莫夫和他的学生认识到，历经几十上百亿年的宇宙演化之后，早期宇宙的辐射能量（分布符合黑体辐射），温度应该冷却到微弱的绝对零度附近，这是第一次对宇宙微波背景辐射的科学预言。
直到1964年，苏联的泽尔多维奇、英国的霍伊尔和泰勒、美国的皮伯尔斯等人的研究，再次发现宇宙应当残留有温度为几开（开尔文，绝对温度单位）的背景辐射，并且在厘米波段上应该是可以观测到的。正当天文学家们纷纷开始着手研制低噪声天线以寻找这种残存的黑体辐射时，美国贝尔实验室的两位科学家——物理学家阿诺·彭齐亚斯和无线电工程师罗伯特·威尔逊却在无意间率先发现了这个背景辐射。
彭齐亚斯和威尔逊的目的与央斯基当年的工作有些类似，是为了改进卫星通信，为此建立了高灵敏度的号角式天线系统。他们将天线对准天空方向进行测量，发现在波长为7.35厘米处一个各向同性的信号，与其他干扰源不同，这个信号的奇怪之处是它每天每时的强度都是相同的，不随季节变化而变化，肯定与地球的公转和自转无关。他们怀疑这个信号来源于接受天线系统本身（我们周围的任何物体都存在微弱的射电辐射），然而清理了天线上的鸽子窝和鸟粪之后，噪声仍然存在。这个问题困扰了他们一年多的时间。
在离贝尔实验室不远的普林斯顿大学里，罗伯特·迪克和皮伯尔斯等科学家组成的研究小组听到了彭齐亚斯和威尔逊的工作情况，意识到这是一个重要的科学发现被他们无意中发现了。1965年，两个研究小组联合《天体物理学报》发表了文章，贝尔实验室的文章是《在4080兆赫上额外天线温度的测量》，普林斯顿大学的文章标题是《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文，对这个彭齐亚斯他们的发现给出了正确的解释，这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射（微波是射电波的一种）。
尽管彭齐亚斯和威尔逊发表的论文只有短短600字，但却震撼了整个天体物理学界和理论物理学界，因为微波背景辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了强有力的观测证据，从而支持了哈勃在1929年发现的宇宙膨胀。彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。
对宇宙微波背景辐射的研究一直持续到今天。随着越来越精密的测量，天文学家从这些射电信号中，获得了关于宇宙早期演化的信息，它们解释宇宙是如何从早期近似绝对均匀的程度逐步演化到今天具有丰富团块结构的，从而揭示了星系、恒星甚至我们地球的根本起源。
借我一双慧眼
同样是在1960年代发现的类星体，也是一种新型的天体，它最显著的特征就是红移（远离速度）极大，比如类星体3C48的速度达到了1/3的光速（10万公里/秒）远离我们，这意味着它的距离远远大于一般的星系。但它在射电天空上的亮度又亮如恒星，因此获得了“类星体”之名。这意味着，类星体就具有极高的光度，比我们银河系要大100到10000倍。
今天大多数的证据和大多数的天文学家都支持类星体是非常遥远的天体，我们今天能看到的类星体的光是它们刚发出光时的情况。也就是说，我们在观测距离我们非常遥远，因而距离宇宙诞生的时间非常近的一类天体。
类星体可能是早期的活动星系，后来它们演化为射电星系和普通星系。因此类星体的存在和随时间、空间的分布也是宇宙演化的证据之一，天文学家把类星体看作是研究宇宙早期状况的“探测器”，对它的研究也正在进展之中，还有大量的未解之谜等待FAST望远镜和中国与全世界科学家一起来揭开。
一百多年之前，天文学家们就发现星际空间不是一片真空。
1930年，美国天文学家特朗普勒通过对银河星团的研究，证实了星际之间的确存在星际物质。射电天文学家罗伯特·迪克等人发现，星际物质中90%以上是气体，其余是尘埃微粒。因为它们温度通常在零下200摄氏度以下，因此用光学望远镜根本观测不到，只能通过射电望远镜观测到它们发出的辐射。1960年代，射电天文学家们在对星际空间中的短厘米波和毫米波射电辐射进行了大量观测后，出人意料地发现了有许多中分子形式的气体和尘埃物质。1963年在恒星际空间发现了羟基（OH），1968年在银河系中心区探测到了氨和水，1969年发现了甲醛。到1996年时，通过光谱证论出的星际分子种类已经达到110种。
被发现的星际分子中，大部分是有机分子。还有一些是地球上没有的天然样品，甚至在实验室中也很难稳定存在的分子。星际分子的研究对于天体演化学（如巨大的星云坍缩成为恒星或星团的过程，和正在“死亡”的星向星际空间抛射物质的过程）、银河系结构、宇宙化学等学科都有重要意义。星际有机分子的研究是三大基础理论(天体演化，生命起源与物质结构)研究的一个重要交叉点。地球到底是不是宇宙中唯一存在高级生命的天体，这个问题是不能轻易地下结论的。因而需要深入研究各种类型的星际有机分子，去获取更多与更可靠的宇宙信息。
在目前非常热门的太阳系外行星的寻找中，找到行星的下一步就是要探明它们的结构尤其是大气成分，这对于确定类地行星的大气是否适合生命存在，甚至是否已经有生命存在的迹象是至关重要的。这些领域都是FAST射电望远镜可以大显身手的地方。
FAST是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高，它能看到更远、更暗弱的天体，通过探测星际分子、搜索可能的星际通信信号，找到地外文明的几率比现有设备要高得多。
“宇宙广播”已经来了，外星人还会远吗？
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