正文 天文觀測的運用(2 / 3)

他們繼續探測整個星空,在金牛座捕捉到了第二個強烈電磁波源,他們前後找到了4個這類天體存在的證據,除了天鵝座A的電磁波源外,其他金牛座A、巨蟹座A及室女座A都找出可能和光學天體有關,這是第一次電磁波源和光學天體的聯結。其中巨蟹座A是由蟹狀星雲發射出來的,這是1054年超新星爆炸遺留下來的。而金牛座A及室女座A則可能和星係M87及NGC5128有關,這表示我們可以在地表上接收到來自銀河係外天體的電磁波。在發現可以在地表收到來自銀河係外的電磁波後,射電天文學家們便將目光的焦點從最初的太陽,轉移到銀河係外的天體了。

以往使用可見光探索星際空間時,從光吸收的結果顯示,星際空間由黑暗、冰冷的真空構成,其間隻少少地點綴了寥寥可數的氣體分子和塵埃。這些氣體是因為附近恒星發出的強光使氣體遊離,使電子進行能階躍遷放出可見光才被發現的。從光譜分析顯示,這些氣體分子主要為氫分子,但即使連最優良的光學望遠鏡都無法指出星際間物質的多寡與範圍,使天文學陷入難境。不過,科學家發現氫的電子在改變自旋方向時,會發出一個很小的電磁波訊號,這個訊號的波長應該是21.2厘米,但因能量非常非常小,所以偵測到譜線的機會很渺茫。在美國哈佛就讀博士的尤恩,經過一年多的努力後,終於在1951年發現了氫的21厘米的譜線,這使得觀測人員可以借21厘米譜線的強度變化,計算出中性氫的質量。此外,從譜線上的多普勒效應,更可以讓天文學家仔細地觀測氣體在太空中漫遊的情形。原來被盤麵塵雲遮蔽的銀河係螺旋狀構造終於借由無線電磁波的研究,第一次展現在世人眼前。

電磁波探測曾經有兩方麵比不過光學觀測,一是解析度比光學望遠鏡低好幾個數量級,二是無法成像,無法以視覺進行觀察比較。前者是因電磁波波長比光波要長很多(數千倍到百萬倍),而觀測的波長愈長,得到的解析度就愈差。為了得到相當的解析度,射電望遠鏡需要較大的直徑,如直徑100米大的射電望遠鏡得到的解析度和10厘米口徑的光學望遠鏡差不多。現在口徑最大的電磁波望遠鏡建在加勒比海地區波多黎各的一處天然凹穀裏,直徑有305米,用3個建在山上的高塔支撐懸吊,無法操縱移動,但因為它相當巨大,還是可以偵測出比其他單一碟型天線更多的輻射線。但這樣的解析度仍然不夠,要設立更大的望遠鏡有很多技術上的挑戰,所以發展出結合數個小的望遠鏡排成陣列,經電腦整合訊號處理後,解析度可以和一台口徑相當這些碟型天線占據區域一樣大的大型望遠鏡相當。且經由電腦處理後,可以將資料轉化成影像。這不但可以修正被大氣模糊的影像,還可以更清楚地解析遙遠的天體。因甚長基線幹涉儀和綜合口徑射電望遠鏡的問世,射電望遠鏡解析度已經可達到0.001角秒,甚至遠遠超過了光學望遠鏡的解析度,電磁波望遠鏡的兩個問題已獲得了完滿的解決。

20世紀70年代以後,因為解決了解析度及合成影像兩個問題,電磁波天文學又獲得許多重要成果,其中最重要的便是銀河係外雙電磁波源及多種電磁波源的發現。

20世紀80年代後,射電天文學家們對毫米波段的研究有更進一步的發展,毫米波為無線電磁波波段中較短的波段,主要用來觀測各種星際分子及研究恒星的演化過程。

另外,在搜尋外星生命方麵,毫米波望遠鏡是主要的工具,因宇宙間氫的含量最豐富,而氫原子可以發出21厘米波長之微波(即毫米波),氫氧根(OH)可發出18厘米長之微波,H和OH可形成水,因此波長介於18厘米與21厘米的微波,稱為“水洞”。因為水是生命所必需,科學家認為這是一個最有可能與外星文明發生共鳴的波段,因此這一波段常被用來進行電磁波監聽計劃。天文學家於1960年使用美國國家射電天文台“監聽”兩顆太陽型恒星:鯨魚座星及波江座ε星,但都沒有結果。美國航空太空總署資助外星文明搜尋計劃,在1992年10月展開微波觀測,監聽80光年內約800顆太陽型恒星。迄今約進行了40件監聽計劃,但都沒有結果。

我國從1995年起開始籌劃一個發展次毫米波陣列的計劃,這個計劃包括建造兩座直徑6米的次毫米波望遠鏡,這兩台望遠鏡將與放置在夏威夷毛納基峰與哈佛一史密鬆天文台的6座同型望遠鏡聯合觀測,預計解析度可達0.1角秒。這一波段的波長比毫米波更短,是最近才開始進行觀測的波段。在次毫米波段中,分子的譜線非常豐富,由此可對星雲有進一步的了解;毫米波還可以透過包裹在恒星外的塵雲,透視恒星的形成,甚至看到在拱星盤中正在形成的大行星,而這可以增加我們對太陽係起源的了解。次毫米波的研究甚至還預期能觀察到更遙遠的地方正在形成的原生星係。因為次毫米波的接收機最近才成功做出來,因此這一波段可說是地麵觀測唯一未被開發的處女地,預計次毫米波將是21世紀初期天文發展的主角。

射電天文學從20世紀初發展至今,為我們開辟了了很多前人無緣得見的疆域,讓我們對宇宙有了完全不一樣的看法。在夜晚看到繁星閃爍時,要知道在可見的點點星光之外,還有很多看不見,卻多彩多姿、奇幻奧妙的世界等待我們去發掘。

射電天文學

對於曆史悠久的天文學而言,射電天文使用的是一種嶄新的手段,為天文學開拓了新的園地。20世紀60年代中的四大天文發現:類星體、脈衝星、星際分子和微波背景輻射,都是利用射電天文手段獲得的。從前,人類隻能看到天體的光學形象,而射電天文則為人們展示出天體的另一側麵——無線電形象。由於無線電磁波可以穿過光波通不過的塵霧,射電天文觀測就能夠深入到以往憑光學方法看不到的地方。銀河係空間星際塵埃遮蔽的廣闊世界,就是在射電天文誕生以後,才第一次為人們所認識。

射電天文學的曆史始於1931—1932年。美國無線電工程師央斯基在研究長途電訊幹擾時偶然發現來自銀河方向的宇宙無線電磁波。1940年,雷伯在美國用自製的直徑9.45米、頻率162兆赫的拋物麵型射電望遠鏡證實了央斯基的發現,並測到了太陽以及其他一些天體發出的無線電磁波。第二次世界大戰中,英國的軍用雷達接收到太陽發出的強烈無線電輻射,表明超高頻雷達設備適合於接收太陽和其他天體的無線電磁波。戰後,一些雷達科技人員,把雷達技術應用於天文觀測,揭開了射電天文學發展的序幕。

到了20世紀70年代,雷伯首創的那種拋物麵型射電望遠鏡的“後代”,已經發展成現代的大型技術設備。其中名列前茅的如前德意誌聯邦共和國埃費爾斯貝格的射電望遠鏡,直徑達100米,可以工作到短厘米波段。這種大型設備配上各種高靈敏度接收機,便可以在各個波段探測到極其微弱的天體無線電磁波。