2009年4月10日

電波天文觀測儀器

作者/黃裕津(任職中央研究院天文與天文物理研究所)

電波天文學的誕生,促使天文觀測研究一躍千里,如今,接收機元件的發展,更成為不可忽視的關鍵,也讓台灣的天文物理學研究躋身國際。

1873年,英國數學家馬克斯威(James C. Maxwell )發表了《電學與磁學》一書,為電磁學研究拉開序幕。電波天文學是電磁學研究應用的重要分支,在二十世紀後半葉至今,許多天文與物理學的重要發現,都是來自電波天文觀測,許多尚待研究的天文學重要課題,預期也都仰賴下一代更具威力的電波天文觀測儀器。

電波天文學之始

1930年代初,任職於美國貝爾實驗室的工程師央斯基(Karl G. Jansky),利用一具14.6公尺波長的高指向性天線,研究頻率為20.5MHz的大氣電波雜訊,發現雜訊最大值出現週期為23小時56分鐘,也就是較前一日提早4分鐘,恰巧為恆星日與太陽日的時間差。他進一步檢查最大值出現時的天線指向,均為人馬座中心方向,也就是已知的本銀河系中心。央斯基將此觀測結果於1933年發表。開啟了電波天文學,至今僅76 年。

不久之後,業餘天文學家雷柏(Grote Reber),以金屬拋物反射面建造自己的無線電望遠鏡,以1.9公尺波長對整個天空進行勘察,並於1944 年完成第一個無線電全天星圖。不論是央斯基或是雷柏,這些早期的無線電天文觀測,看到的都是星際空間中的電子,經由銀河系磁場加速到相對論性高速度,所產生的同步加速輻射連續波譜(synchrotron radiation continuum spectrum)。同一年,荷蘭物理學碩士賀斯特(Hank van der Hulst),預測並計算出中性氫原子的電子,在上下兩自旋態間振盪會產生21公分的波長發射譜線,並在1951年經由觀測證實。

早期的天文科技

二次世界大戰歐洲戰局爆發前,英國科學家發現,以微波接收機和發射機配合高指向性天線,可用於偵測遠方飛行的航空器或航行的船艦,是為雷達的前身。戰爭對武器性能的需求,帶動了相關科技發展,雷達也是如此。1945年夏,雷達已普遍裝備在同盟國海軍的大中型軍艦上。日本投降後,這些雷達零件及備用模組,隨著大批武器裝備與人員退出戰鬥行列,而靈感無窮的科學家找到了其他和平研究用途,並從退役的官兵找到專業人才組成研究團隊,雷達天文學和電波天文學正是其中最重要的研究。

1945年10月,澳洲聯邦理工研究院開始用雷達觀測太陽表面。1946年1月,美國陸軍首先使用雷達量測地球、月球的距離。英國劍橋大學、曼徹斯特大學也分別以軍方除役的雷達展開天文研究。1947~1948年, 澳洲聯邦理工研究院波頓(John Bolton)、史坦利(Gordon Stanley) 及施里(Bruce Slee)觀測到幾個神祕的電波源:天鵝座A、金牛座A、巨蟹座A、及室女座A,並透過方位發現這些電波源與星雲及銀河外星系的關聯。1950年,劍橋大學賴爾(Martin Ryle)已完成50個天文電波源的目錄。之後一次針對仙女座星系(M31)的觀測證實,即使是遠在220萬光年外的星系,也有與本銀河系相同等級的電波輻射,許多天文電波源,被證實是來自本銀河系外的遙遠天體。

賴爾也提出以相位切換方式的干涉儀,降低接收機背景雜訊。1962年,藉由5次月掩星系事件,並以電波望遠鏡配合光學天文觀測,針對類星體(quasars)與對應的遙遠星系仔細研究,透過紅位移計算,發現其遠在數億光年之外。1960年溫瑞布(Sandy Weinreb)進行數位相關器實驗,並用於電波天文頻譜觀測,里德(R. B. Read)則進一步應用相同原理,處理兩座電波望遠鏡的信號,形成相關器式干涉儀。1963年溫瑞布觀測到星際空間的OH譜線。1965 年彭濟亞斯(Arno A. Penzias)與威爾遜(Robert W. Wilson)觀測到宇宙背景輻射(cosmic microwave background radiation, CMBR),並於1978年獲得諾貝爾物理獎。1967年加拿大完成首次超長基線干涉儀實驗,也在同一年,觀測到中子星電波脈衝(pulsar)。【更詳細的內容,請參閱第472期科學月刊】

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