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如何收听来自宇宙的信息?

导读:欢迎来到科学频道,这里为您提供了如何收听来自宇宙的信息?的文章介绍,射电天文学的研究始于1933年,缘于工程师卡尔·詹斯基(Karl Jansky)的一个偶然发现:除了人类发明的电器可以发出无线电波,宇宙本身自然就能产生无线电波。于是天文学家开始不断改...

射电天文学的研究始于1933年,缘于工程师卡尔·詹斯基(Karl Jansky)的一个偶然发现:除了人类发明的电器可以发出无线电波,宇宙本身自然就能产生无线电波。于是天文学家开始不断改进天文望远镜的技术以探寻宇宙无线电波的来源,并试着解开宇宙的奥秘。普通可见光望远镜的用处很多,而借助无线电波的望远镜,科学家能够探测到不同的宇宙事件——比如黑洞、恒星的诞生与湮灭、行星的形成以及更多类似信息。因此,运用不同的天文望远镜,我们可以观测到不同的“波”,从无线电波到可见光再到伽马射线,最终帮助我们绘制更加完整的宇宙图景。

“给少年的科学前沿”系列(10)

作者 Sarah Scoles (美国科学记者)

原文编辑 Kathryn Elizabeth Williamson (美国国家射电天文台)

翻译 木東

编辑/校对 李娟

赛先生“中小学生评审”黎大可为本文撰写了点评。

小黑板

电磁光谱:可见光只占电磁光谱的很小一部分,其光子能量中等。光子能量更高的有紫外线、X射线以及伽马射线(伽马射线光子能量最强)。光子能量比可见光弱的有红外线和无线电波(无线电波能量最弱)。

光子:组成光的粒子,以波的形式进行传播。

波长:光子传播过程中波的长度。

频率:一秒钟内穿过某特定点的光波次数。

赫兹:1赫兹是指一秒钟在某点有一次光波通过;1兆赫指一秒钟有1百万次光波通过。

接收器:射电望远镜的组成部分,能够接收无线电信号,并将之转换成图片。

暗物质:与重力引力的作用相反,使宇宙中不同的物质之间相互排斥。

超脉泽:太空中一种自然产生的“激光”,不过发射的是无线电波,而不像我们通常使用的激光笔发射出的红的或者绿的光束。

一闪一闪亮晶晶,满天都是小星星。你一定喜欢夏日郊外的夜晚,凉风徐徐,繁星点点。其实,你肉眼所能区分的单个星星,离地球都比较近,太阳系当中有超过一千亿颗这样的星星,汇聚成长长的银河。你能想象吗?在银河之外,更遥远的地方,有大约一千亿个星系存在,每一个星系又都由一千亿颗星星汇聚而成,穷尽千里目,你也无法看到那番景象。我们能看见的可见光,只是被天文学家称为“电磁光谱”的一小部分,而电磁光谱还包括伽马射线、X射线、紫外线、红外线,微波以及无线电波等等。因此科学家必须建造特殊的望远镜,来收集这些不可见的“光谱”,并将这些信息转变成直观可见的数据和图片。

什么是无线电波

光是由微小的粒子组成,称为“光子”。可见光光子的能量中等。光子能量稍高的紫外线,虽然不可见,但它却能晒伤皮肤。X射线的能量更强,它可以穿透身体。恒星爆炸时会释放出伽马射线,它的能量最强。低于可见光光子能量的光子构成了红外线。我们看不见红外线,只能感受到它释放出来的热量。

那么,无线电波的能量如何呢?事实上,无线电波的光子能量最低,它来自宇宙中的特别区域——那里最冷、最古老,狭小的空间里挤满了不计其数的物质。在这些肉眼或者普通望远镜永远也不可能感知的地方,无线电波可以告诉我们那里发生的事。

射电天文学家就是利用射电光子来探索不可见的宇宙部分。光子以波的形式传播,就像坐在过山车上向前进,只不过是在上下颠簸不断重复的相同轨道上。不同波长的光子有着不同能量。图1中,两种光子的波长不同,波长越长能量越小,波长越短能量越大。无线电波的能量不大,其传播的波长很长,可能有几十米或者几厘米长不等。

图1. 光子以波的形成传播,每个波的长度称为波长。

每秒钟经过某处的光波的数量就是光波的频率。打个比方,往池塘里扔的石块激起水波四散,如果你站在池塘里,水波会冲撞你的脚踝,而每秒钟冲撞脚踝的水波的次数,就是水波的频率。如果一秒钟有一次波通过,那频率就是1赫兹,一百万次波通过,就是100兆赫。如果水波很长,每秒钟冲撞脚踝的次数就会较少,所以波长越长,频率越小。无线电波的波长很长,它的频率则很小。

射电光波研究的先驱者

第一个发现无线电波的人并不是第一位射电天文学家。1933年,工程师卡尔·詹斯基(Karl Jansky)在新泽西的贝尔实验室工作,这个实验室以电话的发明者亚历山大·格拉汉姆·贝尔命名。当时,工程师在搭建横跨大西洋的电话系统。贝尔实验室的工作人员发现,越洋电话里总是有嘶嘶的背景杂音。这显然会影响电话业务的发展,于是卡尔·詹斯基被派去查找原因并解决这个问题。

卡尔·詹斯基发现电话里噪音的出现时间是有规律的,往往出现在银河系中心地带升起时,而当它沉落后噪音就消失了(如同太阳和月亮,天空的每颗星体都有初升和沉落)。原来,银河系中心有一个很强的射电源,来自这个射电源的无线电波扰乱了电话信号,引起了噪音。卡尔·詹斯基继而通过仪器也检测到了这类无线电波[1],向我们打开了宇宙中崭新的未知世界。图2就是卡尔·詹斯基用来检测太空中无线电波信号的装置。

图2. 射电天文学奠基者卡尔·詹斯基站在他建造的用来检测太空中无线电波信号的装置前。

受到卡尔·詹斯基的启发,格罗特·雷伯(Grote Reber)在伊利诺伊州自己的后院里建造了一架射电望远镜。这架将近10米长的望远镜于1937年完成,并用来观测天空中的无线电波。通过观测所得到的数据,格罗特·雷伯绘制了第一幅射电天图(radio sky)[2]。

射电望远镜收听到的宇宙电波

可见光因其波长较短,我们眼睛虽小,却能看见它们。但是无线电波波长很长,就不是我们的眼睛能看见的了,它需要“大大的眼睛”才能看见。一般的望远镜最多几十厘米长,而射电望远镜则要大的多。西佛吉尼亚的绿岸望远镜(Green Bank Telescope)有90多米长(图3)。而位于波多黎各的阿雷西博望远镜(AreciboTelescope)则长达300米。(编者注:2016年夏天,我国完成了500米口径的球面射电望远镜的主体工程,它的接收面积有30个足球场那么大。它位于贵州,是世界上最大的单口径射电望远镜。)虽然射电望远镜看起来像卫星电视接收器,但其工作原理跟普通望远镜一样。

图3. 虽然绿岸望远镜看起来不像普通的望远镜,但它接收无线电波信号的原理与普通望远镜接收可见光的原理一样。它们能够将人类肉眼不可见的无线电波,转换成图片和数据,供科学家分析。来源:NRAO

使用普通望远镜的时候,我们把它对准要看的物体,从所观察的物体反射的光线能够通过一个个的反射镜片和透镜,最后进入我们的眼睛里。

当天文学家把一架射电望远镜对准太空中的物体时,物体的无线电波到达望远镜的表面。射电望远镜的表面可以是有很多小洞的网状金属层,也可以是铝制实体金属层,它像镜子一样把无线电波反射到第二面“无线电波镜子”上,再反射到“接收器”中。接收器像照相机一样,把无线电波转换成图片信号,能够显示所接受到的无线电波的强度以及来源。

与可见光不同,天文学家通过无线电波,可以看到完全不同的景象。比如,太空中恒星形成的地方有很多尘埃,这些尘埃阻挡了可见光的传送,因此整片区域看起来一片黑暗。而使用射电望远镜观察时,就可以“看破红尘”,发现正诞生的新星。

恒星在气体组成的巨大云朵里诞生。一开始,气体聚集到一起凝结成块,由于重力原因,越来越多的气体附着到结块上,使它体积变得越来愈大,温度越来越高。当它的体积和温度达到一定程度,氢原子开始聚变成较大的氦原子。最后变为一颗真正的恒星。射电望远镜就可以给这些新生的恒星拍张写真照[3]。

而且,射电望远镜还能够用来观察地球附近的恒星。我们所见的日光来自高达5000摄氏度的太阳表面,再往外,温度可达5万多度。通过射电望远镜,我们可以观察这些发送无线电波的温度更高的区域。

太阳系的行星发送的无线电信号不尽相同。射电望远镜可以让我们观察到围绕在天王星和海王星周围的气体,以及这些气体的活动。木星的南北两极能够发送无线电信号。如果我们往水星发送无线电信号,然后通过射电望远镜观察反射回来的信号,就可以给水星绘制一幅像“谷歌地球”一样清晰的地图了[4]。

当观察更加遥远的太空时,射电望远镜可以探测到宇宙中意想不到的东东。大多数星系的中心地带都有巨大的黑洞,由很多物质挤在狭小的空间形成,产生巨大的引力,大到没有什么东西可以从黑洞中逃逸,光也会陷在里面。黑洞能够吞噬恒星、尘埃以及周围的所有物体。当倒霉的物体被黑洞的巨大引力所俘获,它先是在黑洞周围打转,并呈螺旋下降,离黑洞越来越近,下降速度也越来越快。黑洞的上下空间里,有着巨大的电磁辐射的射线喷射流,以及到达不了黑洞的物质(图4)。射电望远镜能够向我们展示这样的图景。

图4. 星系中的黑洞向外“发射”的射线喷射流,长度甚至超过星系的宽度。

宇宙中如黑洞这样质量大的结构能够让时空扭曲。就像把一个很重的保龄球放到弹床上,弹床会向下凹陷。下陷的区域如同放大镜一样,能把经过此地的来自遥远星系的无线电波放大。这样一来,望远镜观察到的遥远星系所呈现出的图像变得更大也更亮。

射电望远镜还有助于解决宇宙的终极难题:什么是暗物质?宇宙时时刻刻都在不停的膨胀,而且膨胀的速度在加快,因为“暗物质”与重力引力相反,它不是把物质拉到一起,而是极力将它们推开。那么暗物质的能量到底有多强大呢?射电望远镜可以通过观测太空某些区域产生的超脉泽(mega-maser),来帮助科学界解答这个问题[5]。超脉泽就好比激光,只是它发射的是无线电波,而不是可见的红绿光。如果能弄清不同超脉泽之间的距离,就可以推算出不同的星系的距离,那么据此就可以推算出这些星系不断远离地球的速度。

天文学家的全套“工具箱”

可见,如果我们只有接收可见光的望远镜,就会错过宇宙中发生的很多故事,如同只有听诊器的医生只能检查病人的心跳,但在X射线仪器、B超仪器、核磁共振仪器以及CT扫描仪的武装下,医生就可以对病人进行更加全面的检测。天文学家也一样,他们不但要利用射电望远镜,还要运用其他不同类型的望远镜,包括紫外、红外、X射线,以及伽马射线望远镜。有了这些利器,天文学家就能绘制更为详尽的宇宙画像。

参考文献:

[1] Jansky, K. G. 1993. Radio waves from outside the solar system. Nature 32, 66. doi: 10.1038/132066a0

[2] Reber, G. 1944. Cosmic static. Astrophys. J. 100, 297. doi: 10.1086/144668

[3] McKee, C. F., and Ostriker, E. 2007. Theory of star formation.Annu. Rev. Astron. Astrophys. 45, 565–687. doi:10.1146/.45.051806.110602

[4] Ostro, S. J. 1993. Planetary radar astronomy. Rev. Mod. Phys. 65, 1235–79. doi: 10.1103/RevModPhys.65.1235

[5] Henkel, C., Braatz, J. A., Reid, M. J., Condon, J. J., Lo, K.Y., Impellizzeri, C. M. V., et al. 2012. Cosmology and the Hubble constant: on the megamaser cosmology project (MCP). IAU Symp. 287, 301. doi:10.1017/S1743921312007223

Frontiers for Young Minds青少年评审:

美国西佛尼吉亚州绿岸中小学的6年级学生:

我们是美国西佛尼吉亚州绿岸中小学的6年级学生,年龄在11-12周岁。我们这一级今年只有一个班,23名同学,而且大部分从幼儿园开始就互相认识了。一位天文观测站的科学家来过我们班两次,她向我们讲述了关于太空的故事,我们非常喜欢。我们也喜欢上数学课,喜欢讨论有关科学的话题。这次,我们很高兴,因为英文/语言艺术老师陶曼太太和科学老师史密斯小姐答应帮助我们评审这篇稿件。课余时间,我们喜欢玩各种体育活动,比如打猎、钓鱼、滑板、篮球、橄榄球、足球、棒球和垒球。跟朋友们打电动、聊聊天也是很惬意的事情。

赛先生青少年评审:

黎大可(18岁,高三学生,来自天津市第102中学)

简介:从小立志当科学家

点评:

乍一看到这个题目,“射电望远镜”,正是我感兴趣的话题。近年来,我国先后在上海和贵州建成了直径亚洲第一、世界第一的两座射电望远镜,举国骄傲,举世瞩目,更坚定了我要成为一名科学家的理想。

这篇文章十分有趣,它深入浅出地介绍了射电望远镜的起源、功能、作用,形象生动地引出了光子、波长、频率等基础知识,又饶有趣味地对射电望远镜的前世今生、探测原理、使命责任等进行了梳理。借给了我们这双“射电望远镜”之慧眼,让我们明明白白仔仔细细地了解人类今天是怎么“仰观宇宙之大、俯察品类之盛”的。

当然,特别值得一提的是,中国已在北京、上海、新疆、云南、贵州等地建成了6台射电望远镜,他们可不是单打独斗的。他们强强联合,组成了一个更加厉害的测量网,来探索宇宙更多的奥秘,为全人类的进步贡献出中国的力量,这必将成为我们中国新一代青年的责任!

本文译自Frontiers for Young Minds网站。

原文标题:What do radio waves tell us about the universe?

原文链接:

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