无线电天文学

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在许多以无线电电子学发展为前提本身才能产生的各种科学部门中,无线电天文学占有重要的位置,根本上打开了研究宇宙的新道路。天体无线电辐射的观测方法,本质上不同于从前所知的天体光学(可见光)和部分红外线和紫外线辐射的观测方法。

在无线电波段的天体电磁辐射性质,大大不同于天体在可见光范围、红外线和紫外线范围的辐射性质。无线电波和光波由天体来到地球,传播情形也极不相同。其中的一个差别关系到辐射体的本质和结构。因此,观测无线电辐射,在很多场合能够得到由光学观测所不能得到的天体知识。

第二个差别是,光线在传播的路上遭到地球大气层(有云或下雨时)和星际空间存在的宇宙尘的削弱。虽然这种削弱用我们地球上的“尺度”来看微不足道,但是光线由遥远的宇宙区间到地球通过极大的距离,削弱程度很大,以致用光学观测十分遥远的行星和星云是办不到的事情。无线电波不受任何削弱,因为它的波长比宇宙尘质点的尺寸大得多。因此,无线电辐射能够观测为光学观测已不可达到的那样遥远的目标。

可见,无线电天文学不仅扩充了我们关于用光学观测天体知识,而且也把我们一般所能观测和研究的宇宙范围界限拨得更为宽阔。这就注定了无线电天文学在研究宇宙方面所起的那种重要的作用。

无线电天文学的产生大约才只有25年,但是在这些年代里它已给科学带来了这么多新的成就,在篇幅不大的文章中是不可能给以较有系统的评述的。这里只能就无线电天文学个别成就的的例子,谈谈这门科学今天发展所达到水平的概念。

第一次观测天体无线电辐射是在1932年,那时美国学者杨斯基研究波长约15公尺的天电杂声来到的方向,发现了一昼夜无线电波来到的角度有所变化,指出这种辐射是从银河某一确定区域(天河中心)发出的。不过那时无线电技术发展的水平还不允许详细地研究这种辐射,因为在15公尺左右的波段上很难得到所需的窄辐射图型,并且那时也还没有足够灵敏的超短波接收机。

无线电技术的进一步发展,特别是超短波(公尺波,而后公寸波和公分波)接收方法的改进,大大地增加了无线电天文学的能力。由于转到较短波的结果,就创造了带天线的、放大能力足够强、辐射图型极窄的无线电望远镜。从此,不仅可以研究银河的无线电辐射,而且发现并开始研究了大量的无线电辐射源——太阳,月亮,大行星(金星,火星,木星)以及后来称为无线电星云的某些星云 。

图1
图1 🔍原图 (669×1033)

按照天体无线电辐射本身的起源主要分为两类:热电磁辐射和非热电磁辐射。

热电磁辐射按其本性来说和被加热的物体辐射可见光和红外线类似,都是由于物体体内部电子热运动的结果。由于这种运动十分杂乱,产生的电磁辐射有连续光谱,可以把它看作“混合”电磁波,既充满了可见光和红外线的光谱范围,又充满了无线电波的范围。在光谱的不同部位,占有一定频率间隔的辐射能量,可以有极大的差别。这种能量沿频谱的分布,由物体的温度和特性而定,但首先还要看物体对落到它上面的某种波长的吸收程度。物体对落到到它上面的某种波长的辐射吸收愈强,辐射同一长度的波的能力也愈强。例如,电离的气体对可见光透明,但显著地吸收无线电波(并且波长愈长,吸收也愈强),本身不辐射可见光,但可以是出色的无线电辐射源。这种现象在天文学上常常碰到。

在无线电天文学中常常碰到的非热无线电辐射,是当电子在磁场中运动拥有很大能量(就是运动速度接近光速)时产生的。这种辐射像热辐射一样有连续光谱不过能量沿频谱的分布可以和热辐射的情况下完全不同。

除开有宽阔连续光谱的无线电辐射以外,在天文学中还有机会碰到全部能量都集中在窄频带内的辐射。这种几乎是单色的无线电辐射源,是星际的氢气。除掉位于紫外线、可见光和红外线范围的谱线,氢能产生位于无线电波段的(波长约21公分,线宽100千赫)谱线。

图2
图2 🔍原图 (661×915)

转到无线电天文学个别成就上来,首先要谈谈关于太阳无线电辐射的研究。正如苏联学者B.Л.庚兹堡和И.C.施克洛夫斯基和英国学者D.马尔金的理论研究所指出的那样,太阳无线电辐射应当是产生于强烈电离的太阳大气层的。同时,某种波长的辐射应当是从对这个长度的波已经不透明的那一层中发出。由于波长愈长,在电离气体中吸收也愈强,因此日冕的外层(所谓外圈)对公尺波就已经不透明,对公寸波不透明的是较深的一层(内圈),而对于公分波则是更深的太阳大气层(所谓色球)。太阳固有的各种波长的无线电辐射就是从上述相当的太阳大气层中发出。1947年5月2日,苏联科学院在探察日蚀时由于观测太阳无线电辐射的结果,这个原理第一次得到了证实。

过去许多年里,一系列的苏联宇宙观象台就已进行过太阳无线电辐射的研究。从事过这种观测的有苏联科学院П.H.列别捷夫物理研究所,国立高尔基大学附属无线电物理科学研究所,苏联科学院克里木天文物理现象台,地磁和无线电波传播科学研究所,苏联科学院总天文台。

太阳无线电辐射的研究不但可以核对以前关于太阳大气层结构的概念,并且可以探索稀薄到不仅在可见光范围,就是在无线电波段内它的固有电磁辐射都己不能观测的日冕最高区域。为了研究日冕的外层,B.B.维特凯维奇曾经建议采用“透视”的方法,就是在地球沿着自己的轨道转动一年的时间内,大约在6月20日左右,它所占有的位置差不多是太阳和无线电星云之一的蟹状星云的方向相重合。在这个期间,由蟹状星云发出的无线电波沿着来到地球的路上通过日冕的外层,在它的里面应该发生折射和不均匀的散射。

B.B.维特凯维奇和英国学者A.海维诗指出,观测不仅能够测定日冕从太阳延伸出去的极大距离(几十万公里),也可以得到关于日冕最外层称为超外圈的结构的知识。

第一次观测太阳无线电辐射就已经指出,这种辐射的波长愈长,受到的变化也愈大。曾发现无线电辐射能量的变化和变化的日期跟太阳黑子的多少有关。这种关系在公尺波上表现得特别突出,在公寸波和公分波波段也表现得很清楚。以后的研究指出,太阳黑子上面的区域是高能的无线电辐射源。 太阳无线电辐射和黑子之间这种关系的存在,是太阳活动性最大特征的表现之一。因而能够通过太阳无线电辐射的观测注意到太阳上发生的某些活动过程,并掌握比以前更全面和更精确的太阳活动特性。

太阳无线电辐射的观测,提供了研究太阳黑子区域所生磁场的新的可能性。在黑子磁场中产生的电磁辐射或是幅射从磁场中通过时,都要引起这个辐射的极化。因此,研究太阳无线电辐射的极化,可以得到关于太阳磁场的知识。

图3
图3 🔍原图 (673×1001)

太阳无线电辐射中极化的存在,是在公尺波波段发现的。但由于这些波的极化现象本身不稳定和接收机灵敏度的不足,极化现象还没有过系统的研究。不久以前,苏联科学院总天文台曾经发现公分波波段太阳无线电辐的极化现象(H.Л.卡义达罗夫斯基,Д.B.科洛尼科夫,H.C.索波列夫,С.Э.海金)。经查觉,从太阳黑子区域发出的3公分的无线电辐射,通常是强烈的圆极化。这种圆极化的方向和太阳黑子磁场的极性有一定的联系。可见,研究太阳黑子上部的磁场有了可能性,而这些场合用光学观测方法是不可能的。

无线电天文学非但在太阳的研究中,并且在宇宙结构研究中也取得了巨大的成就。无线电天文学的重要成就之一,是星际氢无线电辐射的发现。这种稀薄的氢 ,在星际空间,根本不吸收也不辐射光线,那末无线电天文学上观测波长约21公分的氢谱线,便成了研究星际空间氢分布的唯一工具。由于这种辐射集中在很窄的频带内,所以既能查出宇宙各区星际氢的含量,也能测定它们的运动速度(由多卜勒效应按谱线的偏移来决定)。尽管星际氢无线电辐射的发现才只六年,这项研究已有了许多重大的成就,并且改变了我们关于宇宙结构的概念。

无线电天文学在研究无线电星云方面也得到了极其重大的成果。观测证明,它们的辐射分明是非热产生的。曾经有过这样的假定(在这方面有很大功绩的是苏联学者B.Л.庚兹堡,И.C.施克洛夫斯基,Г.Г.盖特曼泽夫和И.H.高尔顿),就是无线电星云的辐射属于非热无线电辐射型。关于这种辐射我们在上面说过,它是由于电子在磁场中运动具有很高能量时产生的。以后的观测使得这个假定愈来愈可靠。果真如此,那就意味着这种无线电辐射源应该是高能量电子的富有者。从而,无线电天文学就回答了那里产生宇宙线的问题。

图4
图4 🔍原图 (632×1077)

宇宙线就是早已知道的到达地球的高能量基本粒子。对于宇宙线的研究可以阐明宇宙线的组成,并且查明什么样的粒子从宇宙空间落到地球上来,以及在原始宇宙线由宇宙空间通过的作用下,在地球大气层中又产生什么样的粒子。不过关于原始宇宙线在哪里产生以及从何方来到地球的问题,不能靠宇宙线本身的观测来加以解决。这是因为,在星际磁场的作用下粒子的轨道变弯并复杂起来,以致从地球上来看宇宙线几乎是从四面八方均匀来到的。当运动粒子在磁场中具有很高能量时产生的无线电辐射,是直线传播的,并且来到的方向一定,因此,就能够知道这种辐射是从哪个目标发生的,也就是确定哪个宇宙目标是高能量粒子的富有者。这样,无线电天文学帮助解决了现代物理学上一个有趣的问题——宇宙线起源的问题。

以上所列举的例子说明了无线电天文学在宇宙科学中占有如何重要位置的概念。同时应当指出,无线电天文学还是一门很年轻的科学,刚刚过完婴儿时代。从这门科学的任务来看,无线电天文学所拥有的技术能力直到目前为止还极其有限。随着无线电技术的继续发展,无线电天文学观测目标的数量和获得这些目标较详尽的知识的可能性都将有所增加,也就是说无线电天文学对宇宙科学的意义将愈来愈加大。在所有由于无线电电子学的应用而产生的科学部门中,无线电天文学是说明无线电电子学在发展科学方面起着巨大作用的一个最明显的例子。((苏联)物理数学科学博士、教授С.Э·海金)(乔同生译自苏联“无线电”杂志1957年11期 )