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标题: 与诺贝尔奖结缘的射电望远镜 [打印本页]

作者: skystar 时间: 2005-11-15 13:35
标题: 与诺贝尔奖结缘的射电望远镜
为了观测研究遥远射电源的种种特性，射电天文望远镜追求高灵敏度、高分辨率、多波段和可跟踪观测等性能，越做越大，越做越精密，耗资越来越大。但一些重大的天文发现并不全来自那些大型射电望远镜。1965年发现的宇宙微波背景辐射、1967年脉冲星的发现者都荣获了诺贝尔物理学奖。而宇宙微波背景辐射的发现来自已被弃之不用的口径仅6米的喇叭天线射电望远镜，脉冲星的发现则归功为简陋的振子阵天线。

贝尔电话实验室的喇叭天线射电望远镜
1960年，贝尔电话公司的克劳福德和他的同事们为了执行通信卫星的计划建造了一具口径为6.1米喇叭型反射天线。这种天线具有非常高的方向性，几乎不受来自地面的无线电和热辐射干扰。他们用这个天线和一台低噪声微波辐射计一起来接收“回声”系列卫星上反射回来的信号，用这种方法来进行世界各地间的通讯。他们用的卫星实际上是一些比较大的金属球，只能反射通信信号，没有放大信号的装置，反射回来的信号十分微弱，所以要求地面上有很好的天线和放大系统来捕捉金属球反射回来的微弱射电信号。接收设备很先进，采用红宝石脉塞微波放大器，用液氦冷却到4.2K以下，所以噪声很低。喇叭天线和这种微波辐射计一起组成了一台灵敏度很高的射电望远镜。没过几年有了通信卫星，这台射电望远镜就失去了作用。
喇叭天线对射电天文学家来说并不陌生。放置在射电望远镜抛物面天线焦点处的厘米波段馈源往往是一个喇叭天线。喇叭天线是一种波导管终端渐渐张开的圆形或矩形截面的微波天线，分别称为圆锥喇叭和角锥喇叭。它的结构简单，方向易于控制。喇叭天线的辐射场可以根据惠更斯原理准确计算出来，计算结果与实际情况符合得很好。射电天文常用喇叭天线来精确测量一些作为定标用的射电源的流量密度值，也就是进行绝对测量。
在环球通信和空间通信的发展过程中，美国新泽西州的贝尔电话实验室这个权威性的通信工程研究机构曾在1933年对天文学作出重大的贡献。央斯基在研究短波通信的“天电”干扰时发现来自银河系的射电辐射，开创了射电天文学。32年后，贝尔实验室再立新功。
彭齐亚斯和威尔逊是两位天文学博士，酷爱射电天文。他们分别于1961年和1963后进入贝尔电话实验室。电话实验室不是研究射电天文的。1963年，他们申请利用已被弃用的喇叭天线射电望远镜进行射电天文射电源的绝对测量，获得批准。6.1米喇叭天线的接收面积虽然不大，但对比较强的射电源的观测却很有效。喇叭天线的有效接收面积可以精确地计算，这一点是常用的抛物面天线所不具备的。他们还研制了一台波长为7.35厘米的低噪声脉塞放大器。天线接收天体辐射的同时，也同时接收到其它非天体的辐射。如地面噪声、地球大气噪声、天线本身的噪声，还要考虑接收机噪声、波导、脉塞放大器、转换器等的噪声。经过精细地测量和计算，他们惊讶地发现有3.5±1K的温度没有来源，而且这个额外噪声温度，不管天线指向什么方向，也不管是哪一天观测，总是存在，既无周日变化，也无季节性变化。1965年他们进行了一次更为小心翼翼的测量以确定来自地面的辐射的影响。最终的结论是：观测到的“额外噪声”是来自宇宙空间中的一种辐射。这就是宇宙形成初期大爆炸留下的充满整个宇宙的辐射。由于宇宙的膨胀和一百多亿年的演化，原来温度非常高的光学波段的辐射已经变为温度仅3K左右的微波波段辐射。后来多波段的观测给出了微波背景辐射的谱，与温度为2.726K的黑体谱完全一致。
他们发表了一篇题为“在4080兆赫上额外天线温度的测量”的实验报告，仅600字。但被科学界公认为是继1929年哈勃发现星系红移现象之后的天体物理上的又一重大发现，是对宇宙大爆炸理论的有力支持，他们俩也因此荣获1978年诺贝尔物理学奖。

剑桥大学行星际闪烁射电望远镜
天体射电源发出的无线电波经过星际介质时产生的忽强忽弱的变化，称之为行星际闪烁。只有角径很小的射电源通过行星际空间才有闪烁现象。上世纪60年代发现的类星体射电源具有像恒星那样小的角径（小于1角秒）的新型天体，在宇宙学和天体物理学上有着极其重要的意义，由此形成用行星际闪烁方法搜寻星体的观测热潮。1965年，剑桥大学休伊什教授领导的研究组决定研制专门的观测行星际闪烁的大型射电望远镜。究竟采用什么样的天线系统呢？实际上，无线电通讯、广播、雷达、导航、电子对抗、遥测、遥感等所用的天线都可以用来接收天体的射电辐射。最为常见的是接收电视信号的半波振子天线，它们属于线性天线一类。由许多线性天线可组成天线阵。因为行星际闪烁随波长的增加而增强，选择3.7米的波长，在米波段选用技术简单、造价便宜的线性天线阵是可行的。他们设计可以用仅有的1万多英镑建造接收面积大的天线阵。最初天线阵由16排，每排128个振子天线共2048个振子组成的长470米宽45米的矩形天线阵。一排排振子挂在1000多根约3米高的木杆上。振子和馈线是用较粗的铜线做的，总共用了近200千米的铜线、电缆和涤纶链线，24000个塑料绝缘子。天线接收面积达2.1万多平方米，灵敏度很高。整个设计和制作都是老师和学生自己动手完成的。望远镜固定不动，射电源因地球自转每天经过望远镜的天线方向主瓣一次，前后约几分钟。为了记录下射电源闪烁不定的变化，这台射电望远镜的接收系统具有高达0.1秒的时间分辨率。这台射电望远镜的外观与众不同，远处看去就像一片果园。谁也没有想到，这台功能单一的射电望远镜却为射电天文学作出了杰出的贡献。
乔丝林·贝尔是休伊什教授的博士生，入学后就投入这个望远镜的建设，长达2年之久。1967年7月，望远镜建成后，休伊什指导贝尔进行行星际闪烁的观测研究。按计划对一批射电源进行观测，每周重复一次。6个月的观测取得5.6千米的记录纸的原始资料。8月，贝尔发现一个夜晚出现的不寻常“闪烁源”紧盯不放，发现其信号具有周期为1.33秒的脉冲，最后被确认为脉冲星。贝尔又从过去多达5000米的记录纸中查找出3颗脉冲星的信号。脉冲星的发现轰动了科学界，很快就被确认是30多年前物理学家预言的中子星。1974的诺贝尔物理学奖颁发给休伊什教授，却把发现脉冲星的第一功臣贝尔博士排除在外，引起了科学界的一片嘘声。休伊什在研制发现脉冲星的望远镜、证认“反常闪烁源”就是脉冲星和确认脉冲星就是中子星的过程中起了重要作用，获奖是理所应当的。但贝尔不能分享，成为诺贝尔奖百年历史中留下的重大遗憾之一。1980年在德国召开的国际脉冲星学术会议，会上代表们公认贝尔和休伊什是脉冲星的发现者，在会议论文集首页刊登他们的合影，并注明是两位脉冲星发现者的再次聚会。

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