谁在海边盖天文台啊(恼)──世界第一座电波干涉仪

  • 文/玄冥
    曾经做过 Radio Astronomy,现在叛逃去 Structure Formation 了,但也许有天会再回去。喜欢的动物是树懒。

1946 年 2 月的某个清晨,澳洲东海岸的一群无线电科学家严阵以待,将电波接收器对向海的彼岸。如果是几年前,他们会胆颤心惊地观察日军战机的动向,但是今天不一样,他们满怀期待地等着日出。因为科学家们知道,他们正将原本用於国家间内斗的利器 —— 电波干涉术(Radio Interferometry),用於人类探索太空的共同向往。

电波干涉术原先是二战时用来提高电波观测准确度的技术,如果说大家对电波干涉术不熟悉的话,那麽对人类拍摄的第一张黑洞影像应该记忆犹新(图一)。这张黑洞影像的成像原理便是电波干涉术,拍摄这张照片的电波干涉仪则是遍布全球的「事件视界望远镜(EHT)」(图二)。

大家听到「电波干涉仪」时,脑海中浮出的想像,可能都是如图二中的碟状接收器。然而实际上,电波干涉仪最初的样貌是非常简单的(图三),以下这篇文章会分别介绍电波和干涉术,再介绍两者结合的原理,一步步带大家了解电波干涉仪的原型机是如何被设计出来的。

什麽是无线电波?

无线电波(Radio wave,简称电波)是一种电磁波,它充斥於我们现代生活的各个角落。例如手机产生的信号、卫星转播,以及蓝牙、WIFI 等等。电波与可见光是唯二能在地球大气中自由穿行的电磁波波段,因此大多数地面望远镜都以观测可见光跟电波为主。重要的是,相对於可见光波,电波波长更长(约 1 mm 以上),较容易穿过障碍物,让它更便於观测藏在宇宙尘埃後的物体(如原恒星)。然而,能穿透障碍物的代价是,在相同的望远镜口径下,电波望远镜的「角解析度(Angular resolution)」比较低。

角解析度(或称角分辨率)是探知物体细微移动或分辨两个邻近物体的能力,白话的说就是它能看得多「清楚」。角解析度正比於望远镜的直径,但反比於所观测的电磁波波长。做一个夸张的比喻,如果我们的眼睛能看到的是波长较长的电波而不是可见光的话,我们需要有一颗直径约一栋楼高的眼睛,才能看得跟现实中一样清楚。有限的角解析度,是电波天文台在 1930 年代刚出现时所面临的主要困境之一。这个问题一直到二战时期才得到解方 —— 干涉技术。

光的干涉,相信大家在高中的物理实验中都见过。在实验中,我们将光源对准布幕,并将切有两条平行狭缝的一块纸板隔在光源与布幕之间。此时通过两条狭缝的光,便会在布幕上产生黑白相间的干涉条纹。这些条纹,源自光通过不同狭缝抵达布幕所需的距离不同,因此不同狭缝发出的光波到达布幕时的震动方向会有所不同。如果两道光波震动方向相反,会造成相消干涉而形成暗纹;若抵达布幕时震动方向相同,则造成相长干涉而形成亮纹。

利用动画可能更好理解一些(见图四、五)。从实验设备的上方俯视,蓝色的点代表光源,红色的点则是纸板上的狭缝位置,图片底端是布幕,白色与黑色的部分即为光波的亮纹和暗纹。从图四我们发现,当狭缝间距越远,布幕上亮纹就越细致,而从图五则可以看见,当光源横向移动时,布幕上的亮纹及暗纹亦会大幅移动。结合这两张图可以看出,越细致的亮纹对光源的移动就越敏感,电波作为一种波亦有相同的特性。

军队如何利用电波干涉侦测敌军?

让我们将焦点拉回二战时期。当时的英国军队为了能预警敌机,通常会将电波接收器对准海平面,随时观察敌机的位置。图六和图七是电波接收器(红点)跟敌机(蓝点)以及海面(黑色区域)的相对位置图,此时敌机发出的电波会从两条不同路径抵达电波接收器,其中较短的电波是从敌机直达接收器,而较长的则是经海面反射後抵达接收器,这两条路径的电波会互相干涉并形成明暗相间的条纹。

这些干涉条纹如同双狭缝干涉所产生的条纹一样,对波源的移动非常敏感(图六),因此可以非常准确的判断出敌机的位置;而如图七所示,当电波接收器与海平面之间的高度差愈大,干涉条纹愈细致,这表示电波接收器的海拔高度正比於其角解析度。实际上,如果将电波接收器放在滨海的峭壁上,其影像的清晰度约为一台口径为两倍峭壁高度的电波接收器,这便是「电波干涉仪」最初的样子——也就是图三那一台在峭壁上的电波接收器。

随着二战结束,许多军事科技被转为民用或科研用途,电波干涉仪也不例外。对於研究太阳黑子的天文学家们来说,电波干涉仪在这一年转为民用更是生逢其时,因为隔年恰好迎来了百年内规模最大的太阳极大期。

太阳活动通常以 9~14 年为周期。在太阳活动最旺盛的时候,往往会伴随着许多太阳黑子的出现、以及被磁场束缚住的日冕物质所迸发的强电波。然而过去受限於电波观测的低角解析度,人们只知道电波的强度与太阳黑子数量呈正相关,却并不知道电波具体源自太阳的何处。随着电波干涉仪的出现,天文学家得以精确地观测出电波强度的分布,其范围比太阳小、且位置与太阳黑子高度重叠,这为此後的太阳黑子研究以及电波通讯应用提供了不少帮助。(1)(2)(3)

使用电波干涉仪探索宇宙吧!

银河系和太阳,是天空中两个最亮的电波源,因此是天文学家最先望向的目标。但天文学家们也注意到,较弱的电波源其实散布於天空各个角落。这些电波源在没有干涉仪的时代,因低角解析度以及来自银河系的电波干扰而迟迟无法精确定位,而这一情况在电波干涉仪出现後得到改善。

二战後,澳洲海军负责雷达设备的军官 John Bolton 以及他的助手,在澳洲沿海各处搭建了电波干涉仪,以观测来自天鹅座的电波。他们将该电波源的位置精确度,由先前透过一般电波望远镜量测的五度推进至七角分(约 1/10 度),也得知这个天体的大小在八角分以下。

然而吊诡的是,如果量测到的电波源自於这八角分不到的天体,这个天体所蕴含的能量密度将远超出任何已知的天体!更令人惊讶的是,该天体并没有对应到任何可见光影像中的恒星,於是他们将这个只出现在电波影像的天体称为天鹅座 A(4) 。随後他们用电波干涉仪扫瞄了南方的天空,陆续发现了许多类似天鹅座 A 的天体。

在後续技术发展下,天文学家终於找出这些电波天体在可见光的真身 —— 电波星系(5)(图八、九)。电波星系在可见光波段的影像如同一般星系,然而在电波望远镜下,时常能看见喷流从电波星系中心喷涌而出,喷流的痕迹可达星系本体的数倍。现在我们知道,喷流是在星系中心大质量黑洞进食(吸积)时所喷出的强烈电浆流,其中的带电粒子在喷流磁场的加速下会发出强电波,从而被电波干涉仪接收。

这些喷流能够改变星系的气体与能量分布,因此对星系演化有着至关重要的影响,今日人们也在透过更先进的电波望远镜了解这些星系。

时过境迁,如今的电波干涉仪,已经能够将遍布全球各地多个电波接收器收到的电波进行干涉,不再是依托於大海的孤立接收器;干涉仪技术的改良,立基於全世界探索宇宙深空的好奇与向往,而非国家间互相对抗的战火。

回首过往,人们在战争中其实并未忘记对宇宙的向往,因此当硝烟散去,人们便互相合作,将战时的科技化作探索太空的利器,揭开宇宙奥秘、满足人类的好奇。如今,我们拥有更强大的科技,希望人们能够继承这份向往,一同探索更多宇宙的未知。

延伸阅读

  1. 毁灭与新生:超大质量黑洞触发的恒星形成- PanSci 泛科学
  2. 黑洞甜甜圈之後:宇宙喷火枪3C 279 黑洞喷流影像现踪迹!——《科学月刊》 – PanSci 泛科学
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  4. 仰望宇宙的好据点,大国争相来插旗:「白山」毛纳基亚——《黑洞捕手》
  5. 太阳升起前,把握最後的永夜!与时间赛跑的组装任务——《黑洞捕手》 – PanSci 泛科学
  6. 人类史上首张黑洞近照:这张动员全球、冲洗两年的照片是怎麽来的? – PanSci 泛科学

参考资料

  1. Some Highlights of Interferometry in early Radio Astronomy, Woodruff T. Sullivan III (2016)
  2. Pawsey, J. L., Payne-Soott, R., & McCready, L. L. (1946). Radio-frequency energy from the Sun. Nature157(3980), 158-159.
  3. McCready, L. L., Pawsey, J. L., & Payne-Scott, R. (1947). Solar radiation at radio frequencies and its relation to sunspots. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences190(1022), 357-375.
  4. Bolton, J. G., & Stanley, G. J. (1948). Variable source of radio frequency radiation in the constellation of Cygnus. Nature161(4087), 312-313.
  5. Bolton, J. G., Stanley, G. J., & Slee, O. B. (1949). Positions of three discrete sources of galactic radio-frequency radiation. In Classics in Radio Astronomy (pp. 239-241). Springer, Dordrecht.

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