2009年1月5日

探索宇宙的電眼—電波望遠鏡動手做

作者/曾耀寰(任職中研院天文所)

望遠鏡將人類世界和宇宙星際連接在一起,而電波望遠鏡的出現,使我們能夠望進宇宙的更深處,藉由接收電磁波訊號,描繪外太空的面貌。

四百年前,伽利略自行改良製作可見光望遠鏡,指向宇宙,為天文觀測研究開啟了一扇天窗。由於望遠鏡的使用,讓人類觀測宇宙的解析能力大幅提昇。

望遠鏡解析力

我們看物體的解析力取決於兩個因素:物體發出光的波長,和接收光線的孔徑大小。以肉眼為例,孔徑大小就是瞳孔大小,通常光線不足時,肉眼的瞳孔大小在4~5毫米。而望遠鏡的孔徑大小則是口徑大小,以伽利略所用的望遠鏡為例,口徑為22毫米,約是瞳孔的5倍,所以根據理論計算,對觀察同一影像,伽利略望遠鏡的解析能力就是肉眼的5倍。望遠鏡口徑越大,解析能力越佳。

解析力也取決於觀測的波長,波長越長,解析力越差。舉例來說,同樣口徑的望遠鏡,電波望遠鏡的解析度就比可見光望遠鏡來得差。所謂可見光,是肉眼可見的光,波長在390~780奈米之間,顏色依波長從長到短排列,為紅、澄、黃、綠、藍、靛和紫色。可見光和無線電波、紅外線、紫外線、X射線一樣,都屬電磁波,只是波長不同。無線電波波長大多比數十公分還長,如收音機FM波段的節目是屬於波長約3公尺的無線電波,AM波段的波長更長,可達數百公尺,也有一些無線電波的波長高達數公里。微波波長比FM短,大約是1毫米到1公尺左右,一般家用的微波爐使用的頻率是2.54GHz,波長約10公分。10公分波長的微波是波長550 奈米黃光的20萬倍,也就是說要有相同的解析能力,電波望遠鏡的口徑必須是可見光望遠鏡的20萬倍。

人類最先發展可見光望遠鏡的原因不言可喻,是為了有更高的解析力、想要將宇宙看得更清楚,於是望遠鏡就越做越大。而其他波段的天文觀測得在相關理論與技術成熟發展後,才有突破性進展,電波天文學就是一個例子。

從無線電到電波望遠鏡

電波望遠鏡的肇始和無線電通訊有關,1931年,美國無線電工程師央斯基(Karl G. Jansky)為了找尋暴風雨來臨的方向,以便讓無線電接收天線遠離暴風雨所帶來的雜訊干擾,設計了一台號稱旋轉木馬的電波天線,這台旋轉木馬長30公尺,高4公尺,有4個輪子,整台天線每20分鐘繞中心轉一圈。旋轉木馬專門接收14.6公尺的無線電波,根據央斯基的研究,雜訊來源除了鄰近和遠方的暴風雨外,還有一個不明來源,這個來源在天空的位置會有將近24小時的變化周期,就像太陽東昇西落一樣;因此他認為該電波應該是來自外太空,而非地球。他進一步測量發現,變化周期比24小時少4分鐘,也就是說該來源應該是來自太陽系外的遠方天體,位置指向我們的銀河中心。

央斯基所量到的電波確是源自我們的銀河中心,不過由於旋轉木馬的解析能力和靈敏度太差,無法像可見光望遠鏡一樣清楚拍攝出天體的模樣。央斯基曾提議建造直徑30公尺的電波天線,但由於沒有後續的經費支持,他沒能繼續電波望遠鏡的研究。1937年,美國另一位無線電工程師雷柏(Grote Reber)在自家後院建造了第一座直徑9.5 公尺的拋物面反射式天線(圖一)。剛開始雷柏用他的望遠鏡接收9.1公分的電波,但一無所獲,於是他繼續探索波長更長的訊號(33公分),直到1939年,將波長延伸到1.87公尺才有斬獲。他在銀河盤面附近接收到明顯的電波訊號,並在1944年繪製出第一幅電波影像。之後發生第二次世界大戰,所有研究就此停擺,但電波天文學的後續發展卻和二次大戰期間所使用的雷達技術息息相關。【更進一步的內容,請參閱第469期科學月刊】

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