群星族譜
——射電星表

□ 余 恒

群星族譜
——射電星表

□ 余 恒

澳大利亞的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡。在這幅“小星球”圖片的正上方是被照亮的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，逆時(shí)針方向出現(xiàn)于夜空的依次是月亮、銀河和小麥哲倫云。圖片來源：APOD

2009國際天文年的時(shí)候，我曾被邀請寫過一系列介紹星表的文章《群星族譜》。本來計(jì)劃包含一篇介紹射電星表的文章。但是由于學(xué)識有限不敢貿(mào)然下筆，便遲遲沒有完成。這一拖就是6年。在做過一點(diǎn)射電方面的工作之后，今年我終于能夠重拾這個(gè)問題，為星表家族補(bǔ)上這一條重要的譜系。

19世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)了電磁波。1901年意大利人馬可尼第一次實(shí)現(xiàn)了跨越大西洋的無線電信號傳輸。但是這項(xiàng)技術(shù)并沒有迅速普及。因?yàn)樵缭?858年美國商人菲爾德就鋪設(shè)了第一條橫跨大西洋的海底電纜，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)大陸之間的有線通信。新生的無線電技術(shù)在通信成本和質(zhì)量上都還無法與之競爭。不過，1912年豪華郵輪泰坦尼克號在撞上冰山后發(fā)出的無線電求救信號讓它得到了寶貴的海上救援。這次事件充分證明了無線通信無可替代的價(jià)值。不久后第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，各國軍方對無線電的積極運(yùn)用也極大地推動(dòng)了無線通信技術(shù)的進(jìn)步。一戰(zhàn)結(jié)束后不久，人們發(fā)現(xiàn)波長幾百米的短波可以用于長距離通信。一夜間，無數(shù)電臺憑空涌現(xiàn)。1922年，馬可尼的公司創(chuàng)立了著名的英國廣播公司BBC，美國電報(bào)電話公司（AT&T，貝爾電話公司的母公司）在紐約設(shè)立了第一個(gè)商業(yè)電臺。這個(gè)時(shí)期，雖然人們在技術(shù)上取得了突破，但對無線電傳播的原理并不清楚。于是在1925年，已在美國取得壟斷地位的AT&T成立了貝爾實(shí)驗(yàn)室，希望用基礎(chǔ)研究來為技術(shù)發(fā)展指明方向。

央斯基正在檢查他的射電天線

雷伯和他的直徑9.6米的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡合影

澳大利亞的米爾斯建立的十字形干涉天線，在3.5米的波長（即85.5MHz）上對南天進(jìn)行了巡天觀測

1931年貝爾實(shí)驗(yàn)室的年輕工程師卡爾·央斯基（Karl Jansky，1905-1950）在研究短波（20.5MHz）射電干擾的過程中意外發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的射電輻射。這是人們第一次意識到地球之外有射電源（那幾年太陽活動(dòng)正好處于極小期，白天增厚的電離層完全擋住了來自太陽的射電輻射）。央斯基希望能夠建造更大的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行更多的觀測。但是當(dāng)時(shí)美國正處于大蕭條之中，沒有機(jī)構(gòu)愿意承擔(dān)這樣耗資巨大的項(xiàng)目。

芝加哥的一位射電工程師雷伯（Grote Reber，1911-2002）對央斯基的發(fā)現(xiàn)很感興趣。他利用自學(xué)的射電望遠(yuǎn)鏡知識在自家后院建造了一架直徑9.6米的拋物面天線，對天空進(jìn)行了持續(xù)的觀測，頭兩個(gè)接收機(jī)在3300MHz和900MHz都沒有探測到地外信號，1938年他終于在160MHz（波長1.9米）上證實(shí)了央斯基的發(fā)現(xiàn)。他利用自己的巡天數(shù)據(jù)繪制了全天的射電強(qiáng)度圖，發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)的射電輻射來自銀心方向，并且察覺到天鵝座和仙后座方向有潛在的射電源。在這段時(shí)間里，他是世界上唯一進(jìn)行射電天文觀測的人。沒人知道遙遠(yuǎn)的天體是如何發(fā)出這些輻射的，也沒人知道宇宙中有多少天體有這樣的輻射。一個(gè)從未被探索過的天空就此呈現(xiàn)在世人面前。

然而，第二次世界大戰(zhàn)的爆發(fā)改變了所有人的注意力。為了防范德國的空襲，英國人發(fā)明了雷達(dá)——其實(shí)就是廣角大功率的短波發(fā)射天線和接收機(jī)，而最初的原型實(shí)驗(yàn)就是利用BBC的廣播站完成的。在戰(zhàn)爭的推動(dòng)下，無線電技術(shù)又一次取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù)幫助盟軍取得了戰(zhàn)爭的勝利。當(dāng)天空中不再出現(xiàn)令人戰(zhàn)栗的機(jī)群，這些巨大的天線眼中只剩下地面嘈雜的聲音和遙遠(yuǎn)的星光。卸下戰(zhàn)時(shí)任務(wù)的科學(xué)家們開始仔細(xì)研究戰(zhàn)爭期間遺留的科學(xué)問題。英國、美國以及作為重要盟友的澳大利亞迅速成為射電天文學(xué)的中心。

曾參與軍方雷達(dá)設(shè)計(jì)的英國物理學(xué)家賴爾（Martin Ryle，1918-1984）復(fù)員到劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室（Cavendish Laboratory），開始研究雷達(dá)探測到的不明噪聲。他在劍橋建設(shè)了一架長基線邁克爾遜干涉儀（Long Michelson Interferometer），在3.7米的波長（即81.5MHz）上對天空進(jìn)行系統(tǒng)掃描。初步的結(jié)果在1950年發(fā)表（Preliminary survey of the radio stars in the Northern Hemisphere），被稱為第一次劍橋射電巡天，簡稱1C星表。這個(gè)表包括了50個(gè)射電源，后來證實(shí)其中很多并不是真正的天體，只是干擾信號。賴爾隨后加裝了2個(gè)天線，把四個(gè)接收器擺成直角，在相同的波段上進(jìn)行了第二次巡天。1955年發(fā)表的2C星表中包含了赤緯-38°到+83°之間的1936個(gè)射電源。

與此同時(shí)，澳大利亞的米爾斯（Bernard Yarnton Mills，1920-2011）也建立了自己的十字形干涉天線，在3.5米的波長（即85.5MHz）上對南天進(jìn)行巡天。他們的結(jié)果在1958-1961年間發(fā)表，被稱為悉尼射電源巡天（Sydney Radio Source Survey），這是第一份南天的射電源表，共給出了-80°到+10°之間的2270個(gè)射電源。他們將自己的結(jié)果與2C星表的重合天區(qū)進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果出入很大。受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，這兩個(gè)星表的角分辨率并不高，還包含許多干擾信號，因此并沒在天文界產(chǎn)生持久的影響。

由于電磁波頻率越高、波長越短，在望遠(yuǎn)鏡口徑設(shè)計(jì)不變的情況下，提高觀測的頻率能夠直接獲得更高的角分辨率，從而更好地定位天空中的射電源。劍橋的團(tuán)隊(duì)將接收機(jī)的工作頻段提高到159MHz重新巡天，在1959年發(fā)布了第三版劍橋射電巡天（Third Cambridge Survey）星表，這便是著名的3C星表（Vizier數(shù)據(jù)庫編號為VIII/1A，之前發(fā)表的射電源星表因?yàn)榭尚哦炔桓?，沒有被數(shù)據(jù)庫收錄）。其中包含了471個(gè)分布在赤緯-22°和+71°之間的天體，以3C為前綴順序編號。這版星表是第一個(gè)可靠的射電星表，直接帶來了類星體的發(fā)現(xiàn)。其中記錄的亮源直到現(xiàn)在仍然被用作射電觀測中的校準(zhǔn)星。

在整個(gè)50年代，劍橋的射電研究團(tuán)隊(duì)一方面用這架天線巡視天空，持續(xù)更新他們的射電源表，另一方面也在探索新的觀測技術(shù)。3C星表的作者列表中甚至沒有賴爾的名字，因?yàn)樗?dāng)時(shí)正致力于一項(xiàng)革命性的技術(shù)——綜合孔徑。1958年，賴爾在他所管理的瑪拉德射電天文臺（Mullard Radio Astronomy Observatory）建造了世界上第一個(gè)綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡并進(jìn)行了成功的試觀測。后來他因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)獲得了1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他的研究團(tuán)隊(duì)利用這個(gè)全新的設(shè)備在178MHz波段進(jìn)行了巡天。結(jié)果在1965年和1967年發(fā)表，被稱為4C星表（VIII/4）。其中包含赤緯在-07°和+80°之間4844個(gè)亮于2Jy的射電源，無論是數(shù)目還是質(zhì)量都大大超出了之前的成果，為一時(shí)之最。

其實(shí)，劍橋星表所用的甚高頻（VHF，30～300MHz）并不是理想的天文觀測波段。這個(gè)范圍的電磁波波束寬，噪聲高，但是因?yàn)榻邮諜C(jī)工藝簡單，成本較低而在早期的天線上廣泛使用。后來的射電巡天大都采用了更高的頻段。

隨著各國經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，加上蘇聯(lián)1957年首顆人造衛(wèi)星升空的刺激，大型射電望遠(yuǎn)鏡的建造在各個(gè)國家都迅速上升到戰(zhàn)略高度。1957年英國焦德雷班克口徑76米的可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡（Jordrell Mark I，現(xiàn)稱洛厄爾望遠(yuǎn)鏡）落成；1961年，澳大利亞64米的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡（Parkes）完工；1962年美國射電天文臺（NRAO）的91米望遠(yuǎn)鏡開光；1963年美國在波多黎各的阿雷西沃建成直徑300米的固定式球面望遠(yuǎn)鏡；1967年意大利博洛尼亞大學(xué)“北十字”（Northern Cross）干涉陣建成……射電天文學(xué)的黃金時(shí)代就此到來。

澳大利亞悉尼大學(xué)的莫隆格勒十字干涉陣（Molonglo Cross)是一個(gè)放大版的米爾斯十字干涉陣，在從1968-1978年的十年間對南天進(jìn)行了408MHz的巡天觀測，在1981年公布了分布在-85°和+18°之間亮于1Jy的12141顆射電源，被稱為莫隆格勒射電源參考星表（Molonglo Reference Catalogue of Radio Sources，MRC，VIII/2），并在1991年進(jìn)行了更新（VIII/16）。

在北半球，意大利國立射電天文實(shí)驗(yàn)室（Laboratorio Nazionale di Radioastronomia）在利用新建的“北十字”觀測陣（雖然計(jì)劃建成十字形，但最后只完成了一個(gè)T形的陣列）進(jìn)行了成功的初步觀測之后，決定在408MHz波段開展巡天觀測。在1970-1974年間，他們在北天21°到40°之間探測到了9929個(gè)射電源，被稱為第二次博洛尼亞射電巡天（The Second Bologna Survey ，簡稱B2，VIII/36)。在1985年，他們又發(fā)表了第三次博洛尼亞巡天（簡稱B3，VIII/37）的結(jié)果，公布了在赤緯+37°和+47°之間的13340個(gè)亮于0.1Jy的射電源。

在20世紀(jì)70年代，世界上的大口徑單碟射電望遠(yuǎn)鏡主要被用于空間通信，射電巡天主要由射電干涉陣完成。隨著美蘇的太空競賽告一段落，這些龐然大物才又回到科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中。

美國射電天文臺位于西弗吉尼亞州綠岸的91米望遠(yuǎn)鏡（官方名稱為“300英寸望遠(yuǎn)鏡”）作為當(dāng)時(shí)最大的全動(dòng)單碟射電望遠(yuǎn)鏡，于1986年11月到1987年10月間在4.85GHz波段對北天0°到75°之間6球面度的天空進(jìn)行了系統(tǒng)的掃描。得益于望遠(yuǎn)鏡巨大的接收面積，這次巡天發(fā)現(xiàn)了54579個(gè)亮于25mJy的射電源，角分辨率為10.5角分，被稱為87版GB射電星表（87GB Catalog of radio sources， VIII/14）。但是在1988年冬天的一個(gè)晚上，由于支撐部件的老化斷裂，這架巨型望遠(yuǎn)鏡轟然倒塌。后來美國射電天文臺又在原址建造了一架口徑100×110米的望遠(yuǎn)鏡，被稱作“綠岸望遠(yuǎn)鏡”（Green Bank Telescope, GBT）。2001年完工以來這一直是世界上最大的全動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡。后來他們綜合兩年的觀測數(shù)據(jù)，成功壓低了背景噪聲，將探測極限擴(kuò)展到18mJy，在1996年發(fā)表了包含75162個(gè)射電源的新表，被稱為GB06年版射電源表（GB6 catalog of radio sources，VIII/40），不過這是后話了。

在300英寸望遠(yuǎn)鏡倒塌之后，它的多波束接收機(jī)并未受到嚴(yán)重影響。于是被裝到了澳大利亞的帕克斯望遠(yuǎn)鏡上，在1990年6月到11月進(jìn)行了4.85GHz南天巡天。這個(gè)巡天被稱作帕克斯-麻省理工-美國射電天文臺聯(lián)合巡天（Parkes-MIT-NRAO 4.85GHz Surveys，簡稱 PMN，VIII/38），記錄了+10°到-87.5°之間的約5萬個(gè)射電源，空間分辨率為4角分左右。因?yàn)榕量怂雇h(yuǎn)鏡的口徑要小一些，所以探測極限也相應(yīng)亮一些，大致在40mJy以上。這個(gè)巡天和GB巡天一起實(shí)現(xiàn)了5GHz波段對全天的覆蓋。

位于美國西弗吉尼亞州綠岸的綠岸射電望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope, GBT），口徑為100×110米。圖片來源：APOD

在70年代，天文學(xué)家們在建造大型全動(dòng)望遠(yuǎn)鏡的過程中逐漸意識到，現(xiàn)有的全動(dòng)望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)接近工程技術(shù)的極限，沒有人再試圖建造口徑大于100米的全動(dòng)望遠(yuǎn)鏡。于是轉(zhuǎn)而發(fā)展用多架小型全動(dòng)望遠(yuǎn)鏡組合實(shí)現(xiàn)大口徑觀測的新技術(shù)。

我國在改革開放后開始研制的第一架射電望遠(yuǎn)鏡就是這種類型。1985年北京天文臺在北京郊區(qū)的密云水庫旁建設(shè)了一個(gè)28面9米口徑望遠(yuǎn)鏡組成的綜合孔徑射電陣（Miyun 232 MHz Synthesis Radio Telescope ），并用它開展了巡天觀測。研究組在1997年發(fā)表了包含34462個(gè)射電源星表（VIII/44），這是我國第一個(gè)也是目前唯一的一個(gè)射電星表?？膳c同時(shí)期151.5MHz波段的劍橋6C星表(1985-1993，VIII/18,21,22,23,24,25)，美國得克薩斯大學(xué)射電天文臺的365MHz巡天（1996，VIII/42）相互參照。

1981年美國射電天文臺在新墨西哥州建成了由27臺25米口徑的全動(dòng)望遠(yuǎn)鏡組成的甚大陣（VLA），每個(gè)單元重達(dá)230噸，可以沿著Y形的軌道移動(dòng)，最大基線為36千米，在43GHz上的角分辨率好于0.04角秒。在很長一段時(shí)間里這都是世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列。VLA在20世紀(jì)90年代同時(shí)啟動(dòng)了兩項(xiàng)重要的1.4GHz巡天：一個(gè)是射電天文臺甚大陣巡天（NRAO VLA Sky Survey，簡稱NVSS）；另一個(gè)是更高精度的小范圍巡天——射電暗源巡天 (Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters，簡稱FIRST)。

位于北京郊區(qū)密云水庫旁的由28面9米口徑望遠(yuǎn)鏡組成的綜合孔徑射電陣。圖片來源：蘇晨

主導(dǎo)NVSS巡天的天文學(xué)家康頓（J. J. Condon）是美國國立射電天文臺資深的射電專家。他在1985-1986年期間就曾使用300英寸望遠(yuǎn)鏡在1.4GHz進(jìn)行了巡天（VIII/6）。VLA的建造成功為他提供了理想的工具。NVSS在1993-1996年間觀測了赤緯-40°以北的全部天空，是迄今為止完備度最高射電單一巡天。它探測到了數(shù)百萬亮于2.5mJy的射電源，角分辨率為45角分（VIII/65）。

與追求天區(qū)覆蓋率的NVSS不同，F(xiàn)IRST項(xiàng)目的目標(biāo)是產(chǎn)生與光學(xué)波段著名的帕洛馬巡天圖片質(zhì)量相當(dāng)?shù)母叻直媛噬潆妶D像。因此他們的觀測時(shí)間要長得多。第一期的觀測從1993年一直持續(xù)到2004年，在2009-2011年間還進(jìn)行了對南天的補(bǔ)充觀測。它的點(diǎn)源探測極限為1mJy，角分辨率達(dá)到5角秒，是目前質(zhì)量最高的射電巡天數(shù)據(jù)。不過它的天區(qū)覆蓋度只有南北銀極附近的1萬平方度，是NVSS的三分之一。就在2015年，F(xiàn)IRST項(xiàng)目組終于發(fā)表了最后一版包含近一百萬射電源的星表（VIII/92），為這個(gè)歷時(shí)二十多年的宏大項(xiàng)目畫上了一個(gè)圓滿的句號。

美國射電天文臺建設(shè)的全動(dòng)望遠(yuǎn)鏡組成的甚大陣，其中每個(gè)單元重達(dá)230噸，可以沿著Y形的軌道移動(dòng)，最大基線為36千米，在43GHz上的角分辨率好于0.04角秒。圖片來源：APOD

但是，一個(gè)頻段上的數(shù)據(jù)并不足以揭示天體的奧秘。在大西洋的另一側(cè)，荷蘭天文學(xué)家在1991年也利用他們11面口徑25米天線組成的韋斯特博克綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡（Westerbork Synthesis Radio Telescope，WSRT）在330MHz波段對北黃極附近天區(qū)進(jìn)行巡天，并與該天區(qū)1.5GHz的VLA數(shù)據(jù)，151MHz的劍橋7C巡天，倫琴X射線天文臺（ROSAT）的X射線波段數(shù)據(jù)，以及紅外天文衛(wèi)星（IRAS）的紅外巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行了交叉比對。后來這個(gè)項(xiàng)目擴(kuò)展到整個(gè)北天，覆蓋了赤緯30°以北的全部天區(qū)，變成韋斯特博克北天巡天（Westerbork Northern Sky Survey，簡稱WENSS，VIII/62，1998），包含20多萬射電源，極限流量為18mJy。

悉尼大學(xué)的莫隆格勒十字干涉陣在1978年升級為莫隆格勒綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡（Molonglo Observatory Synthesis Telescope，簡稱MOST），在1997年又再次升級為寬視場望遠(yuǎn)鏡，從1999-2007年開始執(zhí)行悉尼大學(xué)莫隆格勒巡天（Sydney University Molonglo Sky Survey ，簡稱SUMSS)。它在843MHz上對-30°以南的天區(qū)進(jìn)行觀測。在6mJy的探測極限上找到20多萬射電源（VIII/81B），角分辨率好于10角秒，結(jié)合NVSS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了對全天的覆蓋。

美國的VLA也不僅僅工作在1.5GHz上，1998年安裝的新式74MHz探測器克服了早期低頻接收機(jī)噪聲高、定位能力差的缺點(diǎn)。這個(gè)探測器在2001-2007年間對-30°以北的天區(qū)開展系統(tǒng)觀測，被稱為VLA低頻巡天（VLA Low-frequency Sky Survey，簡稱VLSS，VIII/79A ），發(fā)現(xiàn)了近7萬亮于0.7Jy的點(diǎn)源，角分辨率為80角分。

這樣的項(xiàng)目還可以羅列很多，每個(gè)都是一整個(gè)研究團(tuán)隊(duì)多年的努力和積累，凝聚了研究生的夢想，工程師的驕傲，科學(xué)家的抱負(fù)。當(dāng)最初的構(gòu)想變成最終的成果時(shí)，風(fēng)華少年已兩鬢斑白……然而我們總是需要積累更多波段、更高靈敏度的數(shù)據(jù)來認(rèn)識這些遙遠(yuǎn)的天體。我國的500米射電望遠(yuǎn)鏡FAST已經(jīng)完工，國際合作的平方千米陣列（SKA）作為前所未有的巨型射電望遠(yuǎn)鏡陣也在籌劃建設(shè)當(dāng)中……我們對宇宙的認(rèn)識沒有盡頭，對它的探索也不會(huì)停止。

（責(zé)任編輯 馮翀）

我國的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST，這是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，其外形像一口巨大的鍋，接收面積相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場