2018年10月28日

拿下4次諾貝爾物理學獎的 無線電天文學

賴詩萍/國立清華大學天文所兼物理系教授,曾於美國航太總署噴射推進實驗室及馬里蘭大學擔任博士後研究員。

儘管多數現代人已習慣於無線電接收機(手機)不離手的狀態,但不用拉線就能從空中獲取訊息這件事,仍然存在著一種神祕感。在許多科幻電影中,巨大且經常成群出現的無線電望遠鏡,常被導演安排成外星人選擇攻佔地球的地點,或是地球人與外星人溝通的工具,甚至拿來穿越時空。雖然這些電影情節尚未實現,但地球上有一群天文學家,仍努力地用最新科技,將無線電望遠鏡的性能發展到極致,不分晝夜地用它們來窺探宇宙的奧祕。

什麼是「無線電」? 
無線電又稱「無線電波」,或簡稱電波,是波長約在次毫米(sub-millimeter)以上的電磁波;而電磁波其實就是光,人眼所能看到的光,叫作「可見光」,波長大概在400~700奈米(nm)之間。 德國物理學家馬克士威(James Clerk Maxwell)在1864年發表描述電場與磁場的四大方程式,解釋了光的產生是電場與磁場的波動所造成的,而這個理論在1887年,首次由赫茲(Heinrich Hertz)證實,以電荷振盪器產生波長比可見光更長的電磁波,因此電磁波震盪的頻率是以赫茲(Hz)為單位。

無線電與可見光:兩個大氣窗口
大氣層可阻擋從太空來的電磁波(圖一),這個性質能保護皮膚不輕易被紫外線傷害;而無線電波是除了可見光與近紅外線外,唯一能讓天文學家在地面觀測的波段,因此這2個波段也被天文學家稱為「大氣窗口」。

圖一:大氣不透明度 (100% 表示電磁波無法穿透大氣層) 與電磁波波長的關係,顯示大氣對於無線電波是透明的。(Wikimedia)

無線電天文學開端
對於可見光的大氣窗口,只要使用與生俱來的眼睛,就能在晴朗的夜裡窺視到地球外的景色。然而,對於無線電窗口,人類要等到電機工程有初步的發展後,才有適當的工具能進行觀測。1930 年代初期,美國貝爾電話公司(Bell Telephone Company)工程師央斯基(Karl G. Jansky)設計一個可接收波長14.6公尺的電磁波的巨大天線,並想了解傳播越洋無線電話可能受到的雜訊干擾。

在數個月的觀測後,他發現每天總有一個固定的電波訊號。起先,他猜測可能是太陽,但在仔細量測後發現訊號的間隔是23小時56分,與恆星繞地球的週期相同,因此確定是來自太陽系外。後來與星圖比較,發現這個強大的電波源位於銀河系中心,也就是人馬座的方向。 

1933年,央斯基將他的發現——「源自地球外的無線電波干擾源(Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin)」進行發表,這篇經典論文也讓他贏得「無線電天文學之父」的稱號,唯因為貝爾實驗室不支持,他便沒有繼續做天文方面的相關研究。

但是,另一個年輕的工程師瑞博(Grote Reber)在讀過央斯基的研究後,激發出對天文研究的興趣。他向貝爾實驗室申請經費建造更大、更好的望遠鏡,卻遭受拒絕。便回到老家的後院,自製全世界第一個拋物面鏡式的無線電望遠鏡,直徑9公尺,在1937 年完工,並於1941年完成全世界第一個無線電波段的巡天地圖,是當時世界上唯一的無線電天文學家!

諾貝爾物理學獎的常客
為了接收遙遠星體放射的微弱的電波,接收機(receiver)的發展結合最先進的科技,例如:短波長的接收機必須在以液態氦冷卻到絕對溫度10K以下的低溫環境,以便使用超導元件。這樣精密的儀器,在科學上也做出非常多重要的貢獻,包括得到遠超過其他波段、4個年度的諾貝爾物理學獎,這裡便帶讀者來回顧一下。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第587期】

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