早期的射電天文學

1930年代，美國貝爾實驗室在開展跨大西洋無線電話業(yè)務(wù)時，想調(diào)查一下短波（頻率3兆赫-30兆赫）存在哪些可能的干擾源，于是指派了一位工程師卡爾·央斯基（Karl Jansky）來做這份工作。

央斯基為此建造一架天線探測20.5兆赫無線電波（波長14.6米），它架在一個桌面上，桌面下面安裝了四個輪胎的驅(qū)動系統(tǒng)，從而可以探測任意方向的信號源。當時他的同事們把這個裝置稱為“央斯基的旋轉(zhuǎn)木馬”。

工作了幾個月之后，央斯基把干擾信號源分成了三類：近處的雷暴、遠方的雷暴，以及一種未知的微弱穩(wěn)定信號源。他又花了一年時間來調(diào)查這第三種干擾源的性質(zhì)。

他一開始發(fā)現(xiàn)干擾源最強的位置每天升起落下一次，使他以為信號來自太陽。經(jīng)過幾個月跟蹤之后，信號源與太陽分開了，這時央斯基也發(fā)現(xiàn)，信號重復(fù)的周期不是24小時，而是23小時56分，這是地球相對于恒星自轉(zhuǎn)的周期。經(jīng)過與天文圖像對比，他確認這些無線電輻射來自銀河系，信號最強的方向正好是在人馬座方向，這里是銀河系的中心所在。

這份報告在1933年出版，并在5月5日的《紐約時報》上做了報道。央斯基向貝爾實驗室申請建造一架靈敏度更高的天線，進行更仔細的測量，但貝爾實驗室認為既然這些信號源不足干擾洲際無線電通信，因此給央斯基指派了其他的工作，從此無線電工程師央斯基告別了他無意中開辟的“射電天文學”。

雖然央斯基并不是一位真正的天文學家（天文學家們當時還沒有開始注意到“無線電”與天文的關(guān)系），他的工作也由于當時的經(jīng)濟大蕭條而沒有引起天文學界的足夠重視，但這畢竟是第一份射電天文學報告。為了紀念他的貢獻，射電天文學把射電信號的輻射強度單位命名為央斯基；2012年，美國國家射電天文臺的射電望遠鏡“甚大陣”（出現(xiàn)在電影《超時空接觸》的海報上）也為向他致敬而重新命名為“卡爾·央斯基甚大陣”，并在旁邊復(fù)制了他當時所用的天線。

射電輻射強度“央斯基”這個單位之所以那么小，是因為射電波的能量非常非常低——半個多世紀以來，全世界所有射電望遠鏡收集的能量尚翻不動一頁紙。

另一位重要的射電天文學家是美國的格魯特·雷伯，他受到央斯基論文的啟發(fā)，1937年在自家后院建立了口徑為9米的拋物線形金屬盤射電望遠鏡，這是比央斯基的天線更先進的技術(shù)。由于雷伯沒有參軍，得以在1941年-1943年繪制了全天射電亮度分布圖，其中首次記錄了天鵝座A和仙后座A兩個強輻射源。

雷伯利用不同波段進行全天測量，他發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象。按照恒星這樣的發(fā)光能量分布（即黑體輻射），在射電波段，越往波長越長（頻率和能量越低）的方向，分配的能量應(yīng)該越少，也就是波長越長的射電波亮度應(yīng)該比較暗。但觀測結(jié)果恰好相反，長波亮度反而比較亮。

其中的原因直到1950年代才得到解釋。原來還存在另外一種發(fā)光機制，叫“同步輻射”，即帶電粒子在運動速度接近光速在電磁場中偏轉(zhuǎn)時，由于相對論效應(yīng)，沿運動的切線方向發(fā)出的一種電磁波輻射。因此這個觀測既證明宇宙中普遍存在磁場，而且在天上證明了相對論效應(yīng)。

雷伯所用的射電望遠鏡，后來被美國國家射電天文臺永久收藏，實際上，央斯基的天線也是雷伯主持復(fù)制的。這兩架形式不同的探測器見證了早期射電天文學發(fā)展的歷史，成為對兩位射電天文開創(chuàng)者最好的紀念。

1960年代的四大發(fā)現(xiàn)

就像央斯基無意中開辟了射電天文學，在科學發(fā)展中總是出現(xiàn)許多意外的變數(shù)。對于射電（無線電）天文學來說，第二次世界大戰(zhàn)是一個重要的時間點。在二戰(zhàn)之前，只有少數(shù)幾位科學家注意到了射電天文學這個方向。二戰(zhàn)期間，為了應(yīng)對德軍的空襲，無線電科學家們被征召入伍，雷達技術(shù)獲得迅速的發(fā)展（雷達實際上就是“無線電/射電探測器”的縮寫音譯）。在此期間，科學家們對太陽和電離層進行了深入研究。

二戰(zhàn)之后，科學家們從戰(zhàn)場回到學校，利用在二戰(zhàn)期間發(fā)展起來的雷達技術(shù)，歐美大學里紛紛建立研究射電天文學的科學小組，從而迎來射電天文學的大爆發(fā)。

1950年代，劍橋大學的科學家馬丁·賴爾和安東尼·休伊什發(fā)展了利用地球自轉(zhuǎn)的口徑綜合技術(shù)，同時期發(fā)展的還有干涉儀技術(shù)，從而能夠克服早期望遠鏡較小的困難，獲得相當于數(shù)千米的“等效口徑”。到了1960年代，射電天文學取得了一系列重大的科學成功，尤其是被譽為“天文學四大發(fā)現(xiàn)”的類星體、脈沖星、微波背景輻射和星際有機分子，這些重大發(fā)現(xiàn)標志著“天體物理學”的成熟，成為現(xiàn)代天文學的主要研究領(lǐng)域，極大地促進了天體和宇宙演化、生命起源等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。