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十九 射电天文学和太阳射电天文1射电天文学简介天体除了发出可见的光波外，还有红外波、紫外波、无线电波和X射线波等不可见的电磁波辐射。探测研究不同波段的电磁波辐射，就可以从各个不同的方面来了解天体的形态特征和物理本质。这就像我们往往会从各个不同角度、不同侧面去观看和分析一个物体那样，可以更全面地了解那个物体的全貌和本质。天体所发出的无线电波，也是一种电磁波辐射，在天文上称为“射电波”。我们通常使用的望远镜只能观测天体可见光波的图像，称为光学望远镜。而用以探测天体射电波辐射的仪器就称为是射电天文望远镜。用射电望远镜对天体所发出的射电波以及天体进行观测和研究的天文分支学科，就称为是“射电天文学”。1932年，美国贝尔实验室的无线电工程师卡尔.央斯基（Karl Guthe Jansky）意外地发现了来自星际空间的电波信号，这标志着射电天文学的诞生。第二次世界大战以后，射电天文学方兴未艾，迅猛发展。成为古老天文学中一门新兴的现代分支学科。以往，人们只能通过光学望远镜来观测研究天体，光学波段是人类观望宇宙的一个唯一“窗口”；而此后，人类又可以在射电波段对宇宙进行探测研究，向太空开启了第二个重要“窗口”“射电之窗”。于是，新的发现接踵而来。被称为20世纪60年代天文学的四大发现：类星体（1965年）、脉冲星（1967年）、星际有机分子（1963年）和微波背景辐射（1965年），都是用射电手段观测得到的。在物理诺贝尔奖物理学的获奖项目中，有7项与天文学有关，而其中的5项就直接或主要是通过射电天文学观测研究取得的。射电天文学为人类探测研究宇宙作出了十分重大的贡献。2 天文爱好者雷伯和射电天文学1932年，当卡尔央斯基意外发现来自星际空间电波信号的消息传出之后，虽然曾被作为一个重大新闻在报刊上广泛宣传，也曾引起过许多公众一时的注意和激动，但是未能受到科学家们的关注，至少在头十年中，天文学家们几乎都是淡然处之。然而，至少有一位天文爱好者却对此发生了极大的兴趣，并且倾注了巨大的热情。此人叫雷伯（G.Reber，19112002），也是美国的一位无线电工程师。1937年，他在一位铁匠的帮助下，在伊利诺伊州自己家的后院中建造起了一台射电望远镜，其天线是一个直径达9.45米的抛物面，工作波长为1.87米，这是世界上第一台经典式射电望远镜。从1938年起，雷伯开始用这架射电望远镜进行观测。像央斯基一样，他也探测到了来自星际空间的电波信号。但他的射电望远镜比央斯基的仪器性能要好得多，他分辨出了来自人马座（银河中心方向）、天鹅座、仙后座、大犬座等方向上的射电波信号。据此，他绘制了一份“射电天图”虽然极为粗略，却当之无愧地是天文史上“第一份”的射电天图，并在1944年的天体物理杂志（The Astrophysical Journal）上发表了论文。雷伯的论文在当时也未能引起人们的普遍重视，只有一位名叫J.H.奥尔特的荷兰著名天文学家，立即敏锐地察觉到雷伯论文的重要意义。他建议尽快召开一次有关雷伯论文的学术讨论会。这次讨论会的重大结果之一，是导致了1958年问世的银河系中性氢射电探测的一幅详细分布图，实际上这也是一幅极为出色的银河系旋涡结构的实测图。该项工作在银河系和星系的研究史上也是一个重大的里程碑。3 太阳射电天文学u太阳射电观测研究太阳射电观测研究，是射电天文学的一个重要分支学科，也是当前天文科普教学可以拓展的一个新项目。太阳像各种天体一样，除了发出可见光波的辐射外，也有红外波、紫外波、射电波和X射线波等电磁波的辐射。探测研究不同波段的电磁波辐射，就可以从各个方面来了解太阳的形态特征和物理本质。u太阳射电观测的科学意义除月球和流星体之外，太阳是离我们地球最近的一个天体，也是与我们人类关系最为密切的一个天体。我们对太阳的了解，关于太阳的物理知识，主要是由光学观测取得的，但也有相当重要的一部分是来自于太阳射电的观测。太阳射电观测是对太阳光学观测的一个及其重要的、不可替代的补充。我们地球周围的空间环境状况主要是由太阳的辐射状态决定的，而且受到太阳辐射活动变化的制约，特别是当太阳上有强大的活动变化时。例如大耀斑爆发时，就会严重影响地球的空间环境，地球的磁层、电离层，甚至大气层都会受到或大或小的冲击，从而影响到人类的多种活动环境，例如航天航空、短波通讯和气象气候等的变化，严重时甚至会造成短波通讯中断，威胁、伤害人类的空间发射和空间飞行等活动。现今，人类已进入空间时代，因此对于太阳本身的活动变化，对于日地空间物理环境的监测和预报称为空间天气预报，已日益提上了重要的地位，这已是一项不可或缺的科学探测任务了。而用射电望远镜对太阳活动进行监测，也是对太阳进行观测预报的一个不可缺少的重要手段，而且在许多情况下，太阳的射电监测往往比光学观测更加灵敏、更加迅速、更加有效。特别是当天阴时，地面的光学观测无法看到太阳，就只能依靠射电观测，因为太阳的射电波辐射可以穿透不太厚的云层。u太阳射电观测和天文科普对于太阳进行射电天文的观测研究，不仅具有学科研究的理论意义，还具有当前多种前沿科技领域实际应用的意义。现今，普及天文知识，开展天文科普活动，在国内也已日益受到社会和公众的关注，特别是在许多学校和青少年科普活动场所都已建立了不少科普天文台（估计已有千座以上），但这些科普天文台使用的都是光学天文望远镜。如能进一步增加对太阳的射电观测，则可以开辟一个新的领域、新的方向，也更有利于拓展学生的认知视野。4 科普型太阳射电望远镜射电望远镜有多种多样的类型，用以观测太阳射电辐射的望远镜则称为“太阳射电望远镜”。太阳射电望远镜也有多种多样的类型。用于观测日面射电总强度辐射变化的射电望远镜，是射电望远镜中比较简单，也是相当成熟的一种类型。科普型太阳射电望远镜是用于观测厘米波段上太阳射电辐射的相对强度及其变化的一种太阳射电望远镜，也是一种其结构和原理都较为简单的一种射电望远镜。u主要功能用于观测接收厘米波段（频率约为300030000MHz ）上太阳全日面射电总辐射的相对强度及其变化，可用于研究太阳本身的活动变化规律，可为太阳物理的课题研究服务，也可以为太阳活动预报、空间环境预报等实际应用的项目服务，更可为天文科普教学活动服务。对于校园天文台和青少年科普活动场所，用太阳射电进行观测，也是开展天文科普活动的一个新的领域、新的方向。我们用普通的光学望远镜观测，日面上除了经常出现的黑子之外，似乎十分平静；但实际上太阳有着十分剧烈的活动变化，有时还会发生极其强烈的耀斑爆发。这些活动变化和耀斑爆发在射电波段上的反映要比光学上的明显得多（其辐射强度的变化可达几倍、几十倍、甚至几百倍）。另外，阴天时用光学望远镜是无法观测到太阳的，而用射电望远镜则依然可以对日面进行监测。因此用太阳射电望远镜监测太阳的活动变化，在某些方面往往比用光学望远镜更加灵敏、方便、有效。u基本结构太阳射电望远镜的工作原理与一般的雷达相似，雷达是先向探测目标发射出无线电波，然后再接收由目标体反射回来的回波；而射电望远镜则并不发射电波，只是接收来自目标体（天体）的电波辐射。不过射电望远镜的探测灵敏度比雷达要高得多，因此，可以探测到来自遥远太阳的、十分微弱的无线电波信号。太阳射电望远镜的基本结构有以下几个部分：天线系统：用以汇集接收来自太阳的射电波辐射，其主要器件是一个旋转抛物面形的面状天线。微波系统：将由天线系统汇集到的太阳射电波信号加以处理，并传送至接收机系统。接收机系统：将接收到的射电波信号加以处理、放大。记录系统：现今一般采用计算机记录系统，包括数据的采集、处理、储存和显示等功能。机械支承系统：用以支承射电镜的抛物面天线和微波箱体等，并使抛物面天线能随时指向所需的观测方向，而且能沿着太阳周