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超長波射電天文學簡介.....梁振聲博士

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發表於 21-2-2020 16:47:09 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 VR2ZWP 於 21-2-2020 17:27 編輯

     本文原刊載於 2019年3月出版的 本會70週年紀念特刊。梁振聲博士現任職於 香港理工大學 應用數學系 專任導師,香港天文學會理論組組長,曾於1999年在 中國科學院 國家天文台 北京興隆觀測站 發現新星 Nova,並獲 國際天文聯合會 IAU 授予編號 SN1999bs。

     射電天文學亦叫無線電天文學。即用無線電接收機接收從天體發射的無線電波來硏究天體的物理學和宇宙學。

     射電天文學約有87年的歷史。雖然只有87年的歷史,但射電天文已有豐碩的成果。例如發現中子星又叫脈衝星,星際空間分子,宇宙微波背景輻射等等。而諾貝爾物理學獎中多次亦落入射電天文學當中。例如有1967年的脈衝星,1978年的宇宙微波背景輻射,1993年發現雙脈衝星等等。
     在觀測方面,射电天文觀測特性有利有弊。它的圖像並無光學望遠鏡所得的圖像那麼漂亮,另外制作一幅射電天文圖像比較費時,例如用香港3米單天線觀測在天上最強射電源之一的仙后A(CasA),便需要最少3小時的觀測時間。再者得出來的圖像是假色圖像。所謂假色圖像即是把天空所觀測的天空分成 n 個像素乘 n 個像素,然後從每一像素接收到的強度分成若干個级別,最後把相同強度的像素填上相同顔色。就是這樣便可得到一張射電圖像。當然在射電天文學中還有其他成圖的方法,在這裏暫時不作介绍。盡管射電成圖過程需時比较長,但射電天文觀測也有它難得的優勢,它基本上是可以全天候工作無論在白天或黑夜,只有被觀測的射電目標源在觀測的視場内便可。所以這是和光學天文觀測好不一樣的概念。並沒有像光學天文那樣要天黑才可觀測。

     在射電頻譜方面,由於射電天文學所用的頻譜非常廣闊,現代射電天文學可大致分為低頻和高頻兩類。兩類各有自己的特長。射電天文學源於低頻波段,早在1932年央斯基 Karl Guthe Jansky(圖一)就在20.5兆赫收到來自銀河中心的射電訊號,而位於人馬座的訊號源是最強的。現代人把他稱之為射電天文之父。當時他用的天線好似一個晾衣架。但它可以旋轉和做簡單的跟踪。

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圖一:射電天文之父 Karl Guthe Jansky(圖片來源:https://en.wikipedia.org/wiki/Karl_Guthe_Jansky
 樓主| 發表於 21-2-2020 16:51:51 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 21-2-2020 17:33 編輯

      到了現代,射電天文學已經越向越高頻端發展,由幾GHz到950GHz都有。原因比較簡單,無線電波早在1895年春季由意大利工程師馬可尼利用電磁波作通信試驗更在1896年在英國進行了14.4公里的通訊試驗成功。好快無線電波被應用到通訊和電台廣播中。早期的電台廣播是在幾十兆赫中發送的,所以射電天文學家想避開干擾,便一直向高頻射電波發展。這個發展在射電天文界在近廿多年終於出現突破性發展。

     這個發展源起於宇宙學黑暗時期(Dark Age)。約在廿年前,現任哈佛大學天文系系主任Avi Loeb提出一些宇宙學中的重大問題的展開而回歸超低頻中。現代宇宙學中,我們是可以測量到所謂宇宙微波背景輻射的數據,亦即是嬰兒宇宙的証據,它正是的早期宇宙的訊號代表,宇宙大爆炸的餘輝。順帶一提,現今天文學主要是用電磁波來做天體硏究的,直到2015年美國的LIGO宣布:接收到双黑洞合拼時放出時空扭曲的引力波之後,這兩年才有新的探測天體方法,名為引力波天文學。這是一門新的學科,也很有前途,年青人想在天文學做學問,我全力支持及建議在這方向。回説現代天文學,主要在電磁波譜兩端工作,一是極高能波段的伽瑪射線,另外的正是今次主題,超長波射電天文。根據之前Loeb教授的主張,我們可以把現代宇宙學看作為一本宇宙圖集來看的話,那麼我們這本宇宙學的當中只有兩個主題,即宇宙微波背景輻射和宇宙星系巡天。微波背景是宇宙相當於宇宙的嬰兒超聲波照片,而星系巡天即星系分布於成年版的宇宙中。但問題是我們這本圖集仍有好多空白頁的主題如(圖二)。例如第一代恒星何時出現,第一代黑洞可時出現,宇宙如何從中性物質變成再電離狀態,因為大爆炸之後宇宙處於高度電離狀態。

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圖二:宇宙圖集的空白頁。(圖片來源:Avi Loeb,《科學美國人》,2006年11月刊)
 樓主| 發表於 21-2-2020 17:11:00 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 21-2-2020 17:12 編輯

      在早期的宇宙,红移值z约為17至20時,現代宇宙學家好想能觀測到當時的狀態,即是我們要觀測135或136億光年前的訊號,現在的宇宙年齡约為137億光年。但問題一直都冇辦法觀測,直到之前由Loeb教授建議用觀測早期的中性氫訊號才打破這個困境。中性氫訊號對應於的波長為21cm或頻率為1.42GHz。一般我們稱為21cm宇宙學。所謂21cm是指極宇宙早期所發出的氫訊號為21cm,若現在我們能接收到當時所發出的訊號,我們所要用的接收機是要用大於21cm波長的接收機因為現在的宇宙已經膨脹了很多。計算方法非常簡單,方法是21cm乘以(1+z)便可,例如想收到红移為19時,我們應該用42cm的接收機去接收。

      在這個重大的研究方面,我國的天文學家一直很想作出努力,除了積極参加全球最大的全球射電天文工程名為平方公理陣列之外(英文叫Square Kilometer Array, SKA),我國也嘗試把接收機放到月球的背面做觀測。好多人會問為什麼要把接收機放到月球背面做觀測?原因是月球背面的射電干擾低或者是噪音水平低。所以極之有利做觀測。在我國這個重大工程名為嫦娥探月工程四號,嫦娥四號分兩次發射到月球,第一次在2018年5月下旬發射名為鵲橋中繼衛星如(圖三、四、五)。因為我們不能直接和月球背面通訊,所以先要發射中繼。另一次則是在2018年12月下旬發射航天著陸器到月球背面,今次發射是有多國一同参予硏發的。是以我國牽頭的重大國際合作。在此我祝願今次計劃能得到圓滿成功和收取到宇宙的極早期訊號。從而把宇宙的空白頁填滿。另外我國的天眼500米射電望遠鏡(英文叫 FAST),如(圖六)和(圖七)。在2019年開始公開和給予申請使用,到時相信我國射電天文能做出世界级的貢頁獻。
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圖三:在地球和月球之間,鵲橋中繼衛星傳輸訊息示意圖。

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圖四:搭載在嫦娥四號的荷蘭低頻射電探測儀,NCLE(圖片來源:荷蘭宇航局官網)

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圖五: 嫦娥四號搭載的「龍江二號」從月球背面後方所影到月背(大)和地球(小)的合照,外國傳媒盛讚。 (圖片來源:中國探月工程部和哈爾濱工業大學)

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圖六:中國500米球面射電望遠鏡也稱「天眼」,已經發現十多顆脈衝星

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圖七:2016年7月作者在 “天眼 “ 現場的留影照片
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