- 專欄
文章專區
2018-11-01拿下4次諾貝爾物理學獎的無線電天文學
587 期
Author 作者
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， 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」。
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】