“旋转木马” or 天文望远镜？

1931年，贝尔实验室的青年工程师卡尔·杨斯基（Karl Guthe Jansky）被分派了一个工作：研究无线电通信受雷电干扰情况。为此，他制作了一架奇形怪状的天线——以现在的眼光看，与其说它像一架天线，不如说更像一台旋转木马，总之很难把它当作是一台天文望远镜。

杨斯基的“旋转木马” ∣ 图源：wiki

这架天线被安装在几个旧式福特汽车轮上，可以360度旋转，以便测量来自各方向的射电信号，后面接一台接收装置，并连接在记录仪上。卡尔可以利用这架天线观测到的干扰信号并确定它们是来自于近处的雷电还是来自远处的其他信号。

意外收获

经过长时期观测，他发现有一种信号不能确定来自何处，他把这种信号称之为“未知来源的稳定干扰信号”。

很快，卡尔发现这种信号大约有24小时的周期，显然它与地球的自转相关，这意味着它来源于地球之外。但开始时，他认为可能是来自于太阳的射电辐射，继续观测了一段时间后，卡尔发现信号源的周期与24小时有微小的差别。

虽然卡尔并不是天文学家，但他知道地球有自转与围绕太阳公转两种运动，这两种运动的结合，使太阳大约可以每年升起和落下365次，而恒星则多升降一次。因此，恒星每天会提前大约4分钟升起和落下，而这4分钟，正是卡尔观测到干扰信号的周期与24小时的微小差别。利用这一知识，卡尔准确地猜测干扰信号不是来自太阳，而是来源于遥远的恒星世界。

恒星时与太阳时的差别示意图 ∣ 图源：网络

卡尔将他的研究成果以“来自地外的电子干扰”为题发表在”Proc. IRE”(射电工程研究所进展，也是著名杂志IEEE的前身)上。这个来自天外的信号当即引起巨大的轰动，《纽约时报》也报道这一惊世的发现。但当时人们对这一工作的潜在意义还没能充分认识，而杨斯基期望继续从事这方面研究工作而制作一架真正射电望远镜天线的申请也遭到贝尔实验室的拒绝。

开启射电天文学的大门

然而，卡尔的发现如同在黑暗中划亮一根火柴，为天文研究指出了一个全新的领域——射电天文学。第二次世界大战后，一大批曾经服务于军事的天才雷达工作者转入天文界，带动了射电天文学全速发展，并于1960年代达到辉煌。射电天文在1960年代的四大发现全面更新了天文学知识：

〇 类星体的发现：为宇宙中超大质量黑洞的存在性提供了观测证据。

〇 星际分子的发现：使人们对恒星是从分子云中诞生的这一概念有了基本认识

〇 脉冲星的发现：解决了长期以来中子星是否存在的问题。该成果于1974年获得诺贝尔物理学奖。

〇 微波背景辐射的发现：是大爆炸宇宙学两大重要的观测基础之一。该成果于1978年获得诺贝尔物理学奖。

从现在的观点看，这四大发现都值得获得诺贝尔奖，而且很多人认为，卡尔·杨斯基的发现应该被授予诺贝尔物理学奖，但天妒英才，卡尔于1950年过早离开人世，去世时年仅45岁。为纪念他对射电天文开创性的贡献，国际天文界规定了一个以他名字命名的单位，用于计量天体射辐射到达地球时的探测量，记为Jy，它等于10⁻²⁶(一百亿亿亿分之一)瓦特每平方米每赫兹。这是一个很小的单位，它相当于一支点燃的火柴在300千米外所发出的单色光的亮度；但这也不是很小的单位，因为现代射电望远镜已经能观测到这一单位的万分之一亮度的微弱辐射。

望向宇宙的巨眼

到了二十一世纪，射电天文学更是日新月异地蓬勃发展，射电望远镜也向着更大、更灵敏、更高分辨率的方向发展。

中国自行研制巨型射电望远镜（学名FAST，俗称中国天眼）口径有500米，能够看到宇宙深处最微弱射电辐射。

“中国天眼”FAST ∣ 图源：国家天文台

在智利北部、海拔5000米高处的阿塔卡马大沙漠上，由66面天线组成的大型望远镜阵（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA），能看见一颗初生的恒星周围，一个复杂的行星系统正在形成，那一圈圈黑色缝隙，正是行星围绕母星转动留下的痕迹。

上：ALMA望远镜阵列；下：ALMA观测到的原行星盘图像 ∣ 图源：ALMA

由几个甚长基线干涉阵的站点组成的视界望远镜（Event Horizon Telescope, EHT），更将望远镜的分辨本领发挥到了极致，用它可以将位于五千三百万光年外的星系M87 中心黑洞周围可视区域看得清清楚楚。

EHT绘制的M87中心黑洞偏振光图像 ∣ 图源：EHT

回头看来，卡尔·杨斯基那奇形怪状的“旋转木马”，如同一只小小的蝴蝶扇动了一下翅膀，竟引发了人类探索宇宙奥秘的巨大风暴。

参考资料：

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Karl Guthe Jansky

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Atacama Large Millimeter Array

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Event Horizon Telescope

[4] Li, Di et al. 2019, Fast in Space, IEEE Microwave Magazine, Volume 19, Issue 3, pp.112-119.

作者简介

江治波

中国科学院紫金山天文台研究员，研究方向：分子云与恒星形成。

轮值主编：赵海斌

编辑：王科超