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與諾貝爾獎結緣的射電望遠鏡
（2004年08月20日 13:28:57）
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與諾貝爾獎結緣的射電望遠鏡
 為了觀測研究遙遠射電源的種種特性，射電天文望遠鏡追求高靈敏度、高分辨率、多波段和可跟蹤觀測等性能，越做越大，越做越精密，耗資越來越大。但一些重大的天文發現並不全來自那些大型射電望遠鏡。1965年發現的宇宙微波背景輻射、1967年脈沖星的發現者都榮獲了諾貝爾物理學獎。而宇宙微波背景輻射的發現來自已被棄之不用的口徑僅6米的喇叭天線射電望遠鏡，脈沖星的發現則歸功為簡陋的振子陣天線。
貝爾電話實驗室的喇叭天線射電望遠鏡
1960年，貝爾電話公司的克勞福德和他的同事們為了執行通信衛星的計劃建造了一具口徑為6.1米喇叭型反射天線。這種天線具有非常高的方向性，幾乎不受來自地面的無線電和熱輻射干擾。他們用這個天線和一台低噪聲微波輻射計一起來接收“回聲”系列衛星上反射回來的信號，用這種方法來進行世界各地間的通訊。他們用的衛星實際上是一些比較大的金屬球，只能反射通信信號，沒有放大信號的裝置，反射回來的信號十分微弱，所以要求地面上有很好的天線和放大系統來捕捉金屬球反射回來的微弱射電信號。接收設備很先進，采用紅寶石脈塞微波放大器，用液氦冷卻到4.2K以下，所以噪聲很低。喇叭天線和這種微波輻射計一起組成了一台靈敏度很高的射電望遠鏡。沒過幾年有了通信衛星，這台射電望遠鏡就失去了作用。
喇叭天線對射電天文學家來說並不陌生。放置在射電望遠鏡拋物面天線焦點處的厘米波段饋源往往是一個喇叭天線。喇叭天線是一種波導管終端漸漸張開的圓形或矩形截面的微波天線，分別稱為圓錐喇叭和角錐喇叭。它的結構簡單，方向易于控制。喇叭天線的輻射場可以根據惠更斯原理準確計算出來，計算結果與實際情況符合得很好。射電天文常用喇叭天線來精確測量一些作為定標用的射電源的流量密度值，也就是進行絕對測量。
在環球通信和空間通信的發展過程中，美國新澤西州的貝爾電話實驗室這個權威性的通信工程研究機構曾在1933年對天文學作出重大的貢獻。央斯基在研究短波通信的“天電”干擾時發現來自銀河系的射電輻射，開創了射電天文學。32年後，貝爾實驗室再立新功。
彭齊亞斯和威爾遜是兩位天文學博士，酷愛射電天文。他們分別于1961年和1963後進入貝爾電話實驗室。電話實驗室不是研究射電天文的。1963年，他們申請利用已被棄用的喇叭天線射電望遠鏡進行射電天文射電源的絕對測量，獲得批準。6.1米喇叭天線的接收面積雖然不大，但對比較強的射電源的觀測卻很有效。喇叭天線的有效接收面積可以精確地計算，這一點是常用的拋物面天線所不具備的。他們還研制了一台波長為7.35厘米的低噪聲脈塞放大器。天線接收天體輻射的同時，也同時接收到其它非天體的輻射。如地面噪聲、地球大氣噪聲、天線本身的噪聲，還要考慮接收機噪聲、波導、脈塞放大器、轉換器等的噪聲。經過精細地測量和計算，他們驚訝地發現有3.5±1K的溫度沒有來源，而且這個額外噪聲溫度，不管天線指向什麼方向，也不管是哪一天觀測，總是存在，既無周日變化，也無季節性變化。1965年他們進行了一次更為小心翼翼的測量以確定來自地面的輻射的影響。最終的結論是︰觀測到的“額外噪聲”是來自宇宙空間中的一種輻射。這就是宇宙形成初期大爆炸留下的充滿整個宇宙的輻射。由于宇宙的膨脹和一百多億年的演化，原來溫度非常高的光學波段的輻射已經變為溫度僅3K左右的微波波段輻射。後來多波段的觀測給出了微波背景輻射的譜，與溫度為2.726K的黑體譜完全一致。
他們發表了一篇題為“在4080兆赫上額外天線溫度的測量”的實驗報告，僅600字。但被科學界公認為是繼1929年哈勃發現星系紅移現象之後的天體物理上的又一重大發現，是對宇宙大爆炸理論的有力支持，他們倆也因此榮獲1978年諾貝爾物理學獎。
劍橋大學行星際閃爍射電望遠鏡
天體射電源發出的無線電波經過星際介質時產生的忽強忽弱的變化，稱之為行星際閃爍。只有角徑很小的射電源通過行星際空間才有閃爍現象。上世紀60年代發現的類星體射電源具有像恆星那樣小的角徑（小于1角秒）的新型天體，在宇宙學和天體物理學上有著極其重要的意義，由此形成用行星際閃爍方法搜尋星體的觀測熱潮。1965年，劍橋大學休伊什教授領導的研究組決定研制專門的觀測行星際閃爍的大型射電望遠鏡。究竟采用什麼樣的天線系統呢？實際上，無線電通訊、廣播、雷達、導航、電子對抗、遙測、遙感等所用的天線都可以用來接收天體的射電輻射。最為常見的是接收電視信號的半波振子天線，它們屬于線性天線一類。由許多線性天線可組成天線陣。因為行星際閃爍隨波長的增加而增強，選擇3.7米的波長，在米波段選用技術簡單、造價便宜的線性天線陣是可行的。他們設計可以用僅有的1萬多英鎊建造接收面積大的天線陣。最初天線陣由16排，每排128個振子天線共2048個振子組成的長470米寬45米的矩形天線陣。一排排振子掛在1000多根約3米高的木桿上。振子和饋線是用較粗的銅線做的，總共用了近200千米的銅線、電纜和滌綸鏈線，24000個塑料絕緣子。天線接收面積達2.1萬多平方米，靈敏度很高。整個設計和制作都是老師和學生自己動手完成的。望遠鏡固定不動，射電源因地球自轉每天經過望遠鏡的天線方向主瓣一次，前後約幾分鐘。為了記錄下射電源閃爍不定的變化，這台射電望遠鏡的接收系統具有高達0.1秒的時間分辨率。這台射電望遠鏡的外觀與眾不同，遠處看去就像一片果園。誰也沒有想到，這台功能單一的射電望遠鏡卻為射電天文學作出了杰出的貢獻。
喬絲林•貝爾是休伊什教授的博士生，入學後就投入這個望遠鏡的建設，長達2年之久。1967年7月，望遠鏡建成後，休伊什指導貝爾進行行星際閃爍的觀測研究。按計劃對一批射電源進行觀測，每周重復一次。6個月的觀測取得5.6千米的記錄紙的原始資料。8月，貝爾發現一個夜晚出現的不尋常“閃爍源”緊盯不放，發現其信號具有周期為1.33秒的脈沖，最後被確認為脈沖星。貝爾又從過去多達5000米的記錄紙中查找出3顆脈沖星的信號。脈沖星的發現轟動了科學界，很快就被確認是30多年前物理學家預言的中子星。1974的諾貝爾物理學獎頒發給休伊什教授，卻把發現脈沖星的第一功臣貝爾博士排除在外，引起了科學界的一片噓聲。休伊什在研制發現脈沖星的望遠鏡、證認“反常閃爍源”就是脈沖星和確認脈沖星就是中子星的過程中起了重要作用，獲獎是理所應當的。但貝爾不能分享，成為諾貝爾獎百年歷史中留下的重大遺憾之一。1980年在德國召開的國際脈沖星學術會議，會上代表們公認貝爾和休伊什是脈沖星的發現者，在會議論文集首頁刊登他們的合影，並注明是兩位脈沖星發現者的再次聚會。 |
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文章評論(1):
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與諾貝爾獎結緣的射電望遠鏡
（2008年05月07日 19:29:37 - 游客）
文章的結構太復雜了,現在的小學六年級就在學了,對他們來說,應該相對來說要簡潔一些,這樣可以他們容易明白.
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