射电天文学：从业余爱好者到全球团体

由柏拉图重新发布

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射电天文学从无线电工程师后院的业余爱好者起步，现在已成为国际精英联盟的焦点。 艾玛查普曼 概述了该学科是如何发展的以及为什么需要在其科学和工程根源之间取得良好的平衡

最近我对自己的身份思考了很多。当有人问我做什么时，我将自己描述为射电天文学家、宇宙学家或天体物理学家——这取决于我的心情和与我交谈的人。但我从来没有真正感觉到我完全属于这些选择中的任何一个。在我看来，我利用无线电数据对第一颗恒星的追求与宇宙学家对暴胀范式和暗能量的紧张讨论不太相符。同样，当参观射电望远镜时，“接收器”和“增益”的术语从我的脑海中掠过。

“射电天文学家”是一个奇怪的短语，因为很少有人听到科学家如此密切地关注任何其他波长。例如，我从未听说过“伽马射线天文学家”这个词。但去年拜访了业余射电天文学家团体后，我意识到我还不具备称自己为真正的“射电天文学家”的技能。这个标签是一种荣誉徽章，人们无法仅仅通过使用射电望远镜拍摄的数据来获得这一荣誉。

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/radio-astronomy-from-amateur-roots-to-worldwide-groups-physics-world.jpg" data-caption="现代面孔 美国新墨西哥州的 Karl G Jansky 甚大阵列 (VLA) 建于 1973 年至 1981 年间。它的 28 个射电望远镜排列在一个 Y 形干涉仪中，每个射电望远镜都有一个 25 m 的碟形天线。（由 Bettymaya Foott、NRAO/AUI/NSF 提供）” title=”单击以在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/radio-astronomy-from-业余根到全球团体物理世界.jpg”> 日落时的一排大型射电望远镜

现代面孔 美国新墨西哥州的 Karl G Jansky 甚大阵列 (VLA) 建于 1973 年至 1981 年间。它的 28 个射电望远镜排列在一个 Y 形干涉仪中，每个射电望远镜都有一个 25 m 的碟形天线。（由 Bettymaya Foott 提供，NRAO/AUI/NSF）

我是该组织的活跃成员平方公里阵列天文台（SKAO）是一座国际射电望远镜，目前正在南非和西澳大利亚建造。尽管该项目的总部是英国的乔德雷尔班克天文台，但 SKAO 是一个全球项目，其合作伙伴范围从澳大利亚、中国、意大利和荷兰延伸到葡萄牙、南非、西班牙、瑞士和英国。

天文学家与工程师

根据天体物理学家的说法菲利普·戴蒙德 (Philip Diamond)，SKAO 总干事，该项目的电话会议和会议通常跨越约 20 个时区。拥有这样一个全球性且人口众多的天文台，许多负责 SKA 项目管理的人员都来自商业背景也就不足为奇了。戴蒙德曾半开玩笑地调侃说，有些人甚至永远不会碰过望远镜。但这并不是一件坏事——他们并不是因为对明星的热爱而来到这里的。他们之所以存在，是因为他们知道如何让复杂的公司蓬勃发展，以便最终用户（比如我自己）能够及时获得高质量的数据。

戴蒙德无疑赢得了“射电天文学家”的称号——事实上，他的博士学位就是这个主题，而且他的职业生涯使他在世界上大多数主要射电设施中工作。从与他的交谈中可以看出，他很喜欢这些仪器的基本结构，就像它们所带来的科学一样。在层级较低的地方，并不是每个人的处境都如此广泛。天文学家和工程师之间存在明显的分歧，只有少数例外。

工程和科学这两个联盟甚至有单独的会议，尽管我认为没有人会在工程会议上测试你的焊接技能，以允许你进入。虽然我多年前确实参加过一次工程会议，但我坚定地站在科学阵营，我可以告诉你：有时这种分裂感觉更像是一条鸿沟。工程师们哀叹科学家要求太多，而且不了解技术的局限性。与此同时，在科学会议上，科学家们对任何会削弱他们自己的科学目标的天线变化表示绝望，抱怨工程师们不明白科学潜力正在付诸东流。

这些对话并不是 SKA 独有的，但由于合作规模如此之大，所以它们很明显。绝大多数参与研究的研究人员都在全球各地的大学和公司工作，而不是在一个他们可能有机会见面并减少部落主义的地方。

在许多方面，我们看到射电天文学回到了它的根源，它始于天文学和电气工程之间不稳定的结合。这两个领域的科学家花了很长时间才学会共存并教导他们的学术后代，但最终大学培养出了现成的射电天文学家，他们创造了 1960 世纪 XNUMX 年代及以后的伟大射电设施。

休闲根源

射电天文学的开创者是贝尔实验室工程师卡尔·扬斯基和英国科学家詹姆斯·斯坦利·嘿和伯纳德·洛弗尔（见下面的方框）。他们的第一个发现只有在电气工程师、天文学家和业余爱好者的共同努力下才得以实现。但随着大规模射电天文学日益成为两个截然不同的专业领域（一方面是工程师，另一方面是科学家）之间的合作，那么多才多艺的业余爱好者呢？在该领域的起源中发挥如此重要作用的团队还有空间吗？

卡尔·扬斯基：工程师

两张黑白照片：办公室里的一个男人和带轮子的大型金属结构 — **工程师** Karl Jansky（左图，1930 世纪 20.5 年代）建造了一个旋转天线（右），以 XNUMX MHz 的频率实现全天空覆盖。在“扬斯基的旋转木马”中，他发现了雷暴和全天不断变化的奇怪的嘶嘶声。（由 NRAO/AUI/NSF 提供）

1928 年，Karl Jansky 是一名工程师，贝尔实验室在美国，他的工作是减少电脑上烦人的噼啪声新跨大西洋无线电话服务，每分钟收费 25 美元（现在为 400 美元）。他发现的大部分噪音都是由当地的干扰造成的——比如雷暴——但他的耳机里有一种较小的、连续的嘶嘶声，他无法定位。 Jansky 充分利用了他的工程技能，建造了他的“旋转木马”，这是一个 30 米宽的矩形线圈排列，这些线圈一起充当天线，所有这些都放置在经过改造的福特 T 型车车轮上。毕竟那是在大萧条时期，钱很稀缺。

接下来是令人沮丧的一年，扬斯基在天空中追逐着嘶嘶声，起初他确信它来自太阳。但到了 1932 年，他最终意识到真正的源头是我们银河系的中心。扬斯基并不是一个人得出这个结论的。直到一位天文学家同事建议将全年的数据绘制在一起，并且每天 4 分钟的变化自行解决时，人们才意识到：在太阳以外的物体中看到的确切恒星时（由恒星每日视运动决定的时间）系统。不幸的是，由于贝尔实验室不涉及射电天文学，扬斯基并没有追求这一发现，但他的研究由业余天文学家格罗特·雷伯（Grote Reber）推进。

格罗特·雷伯：第一位射电天文学家

一名男子站在射电望远镜前的黑白照片 — **第一位射电天文学家** 格罗特·雷伯自建的望远镜被广泛认为是世界上第一台射电望远镜。它最初于 1938 年在他位于伊利诺伊州惠顿的家的后院建造。 1960 世纪 XNUMX 年代，当他去国家射电天文台工作时，他将望远镜及其接收塔搬到了西弗吉尼亚州的格林班克。（由 NRAO/AUI/NSF 提供）

1932 年扬斯基发现这一发现后的许多年里，全世界只有一位射电天文学家，而他是一位以古怪着称的业余爱好者。格罗特·雷伯（Grote Reber）是一名年轻的美国工程师，在芝加哥一家无线电设备制造商工作，他阅读了扬斯基的战前文献，并联系了各个学术部门，询问他们何时会对这一明显重要的发现采取行动。他多次遭到拒绝，最终，由于厌倦了专业天文学家的不尊重，1936 年，他决定在母亲的后花园建造一架射电望远镜。

雷伯利用他的无线电工程师技能，找出了天线的最佳形状（抛物线，将作为大多数未来无线电天线的蓝图）。然后，他休了一个暑假，并从银行取出一年的工资，建造了一个 9.6 万直径的天线。邻居们担心它会改变天气，飞行员改变航线以避免它，学生们在他不注意的时候用它作为攀爬架。

雷伯没有被吓倒，他首先证实了扬斯基的实验，然后在 1940 世纪 XNUMX 年代初绘制了整个无线电天空图，发现了第一个射电星系，天鹅座 A。他还进行了一些首次太阳射电测量，而第二次世界大战后文件解密后，专业天文学家才刚刚意识到射电天文学的潜力。随着雷伯（以及后来詹姆斯·斯坦利·海和伯纳德·洛弗尔）的结果变得更加出名，人们开始热衷于观测射电天空。

那些具有物理学背景的人可以制造设备，但不知道他们在检测什么。与此同时，天文学家知道他们想看什么，但无法理解电气工程。在最初的几年里，学者们只能提供真正射电天文学家一半的技能：他们可以理解实验，或者他们可以理解结果。雷伯似乎是唯一能同时做到这两点的人。雷伯独自一人在母亲的花园里，成为第一位射电天文学家，无论是业余还是专业，而且十多年来一直如此。

詹姆斯·斯坦利嘿：老师

一个穿着西装的男人在大房子外的黑白照片 — 老师 1958 年，詹姆斯·斯坦利·嘿 (James Stanley Hey) 在英国的 Meudon House。（摄影：Leo Goldberg，AIP Emilio Segrè 视觉档案馆提供）

1942 年，英国皇家空军 (RAF) 的雷达防御网络在令人痛苦的两天内出现故障。物理学家詹姆斯·斯坦利·海 (James Stanley Hey) 发现自己负责找出失败发生的原因。第二次世界大战开始时，他被征召离开兰开夏郡伯恩利文法学校教物理，随后加入了陆军作战研究小组。海得到了一份关于无线电工程的简要介绍，并被任命负责一个负责改进高射炮雷达的团队。通过交叉参考每个雷达站停电的时间和程度，海发现雷达故障的根源是太阳。

如果他是一名天文学家，嘿一定会感到困惑，因为当时大多数天文学家都知道，探测太阳无线电波的尝试只是失败了。甚至托马斯·爱迪生也没有成功。然而，作为一名物理老师，嘿并没有这样的先入之见，并且欣然承认自己的无知。他甚至打电话给皇家格林威治天文台询问太阳是否有任何问题。正如格林威治天文学家所证实的那样，事实证明确实存在。事实上，嘿发现，在确切的窗口期间，雷达站发现自己被噪音淹没，一个巨大的黑子在太阳表面绽放。

当时，英国皇家空军一定很高兴来源不是德国新的干扰技术，并庆幸在防御失明时没有发生袭击。战后，随着他的工作被解密，海伊开始发表演讲，但天文学界并不友善。这个告诉他们太阳发射无线电波的人是谁？荒谬的！

幸运的是，当 1946 年另一个巨大的太阳黑子穿过太阳圆盘并产生相同的干扰时，他的平反很快就得到了证实。此时，射电天文学在世界范围内确立为一个严肃的职业，嘿和其他物理学家（包括伯纳德·洛弗尔）搜罗了废弃的战时雷达设备并建造了自己的监听设备。不过，这一次，它们的目标不是敌机，而是星星。

伯纳德·洛弗尔：物理学家

两张黑白照片：一个穿西装的男人和一个正在建造的大型望远镜 — **物理学家** 伯纳德·洛弗尔（Bernard Lovell）利用曼彻斯特大学在乔德雷尔银行（Jodrell Bank）拥有的偏远地区安装了战时遗留下来的雷达设备。后来他选择这个地点建造马克一号望远镜，现在更名为洛弗尔望远镜。（由曼彻斯特大学乔德雷尔班克天体物理中心提供）

1939年第二次世界大战开始时，伯纳德·洛弗尔是英国曼彻斯特大学的一名研究人员，他正在观察云室中电离粒子穿过蒸汽的轨迹。洛弗尔被征召来开发便携式雷达装置，但他们受到了令人讨厌的干扰源的困扰。最终，错误信号被归因于粒子簇射与电离层相互作用并产生发射无线电波——这是洛弗尔的偶然发现。在与桌面云室进行斗争后，他意识到他可以依靠地球大气层作为粒子加速器和云室。

战后，洛弗尔和其他人——包括他的战时同事詹姆斯·海——“拯救”了一些废弃的雷达设备，并将其安装在曼彻斯特大学的一个小前哨基地的田野上，位于乔德雷尔银行。安静的位置意味着他应该听到雷达每小时一次拾取粒子阵雨踪迹的脉冲声。但令他惊讶的是，他听到了一阵刺耳的声音。海认为洛弗尔的信号可能是由于太空岩石进入地球大气层造成的。这些流星留下的电离轨迹会反射无线电信号，泄露它们的位置。

洛弗尔无论如何都没有资格思考流星，但他很快发现专业天文学家既没有时间也没有意愿使用他们珍贵的望远镜来研究它们。他们把这项业务留给了业余爱好者。洛弗尔也因此确信曼宁·普伦蒂斯 – 白天是律师，晚上是业余天文学家 – 在下一次大型流星雨期间在乔德雷尔银行与他会合。普伦蒂斯会躺在躺椅上，在看到流星的时间和地点大喊大叫。每次，洛弗尔都会把雷达设备转向那个方向，如果雷达屏幕上有脉冲信号，他就会大喊大叫。

很快人们就发现洛弗尔确实在记录流星雨。云室和粒子物理学现已被遗忘，洛弗尔开始筹集资金建造乔德雷尔班克的马克一号望远镜（后来更名为洛弗尔望远镜）并开始走上成为 20 世纪最伟大的射电天文学家之一的道路。所需要的只是业余爱好者的教训。

“业余爱好者”一词有两个常见含义：“将追求、学习、科学或运动作为消遣而不是职业的人”和“在艺术或科学方面缺乏经验和能力的人”。从园艺到DIY，有很多技能是我既无报酬又无能的，所以必须比这更深入。事实上，这个词的拉丁词根是业余，意思是“爱人”。从字面上看，成为一项追求的业余爱好者就是热爱它，对它充满热情。

事实证明，我一直在不公平地评判那些从事业余爱好的人，尤其是在我认为自己比任何人都了解的领域：射电天文学。业余天文学家可能没有报酬，也没有发表引人注目的学术论文，但耳机中流星的撞击声和银河系的嘶嘶声让他们高兴不已。

在寻找美国业余射电天文学家格罗特·雷伯（Grote Reber）的现代对应者（见上框）时，我遇到了许多业余射电天文学俱乐部协会，他们观测从银河旋臂到令人惊讶的脉冲星的一切事物。在与一些人交谈后——包括英国业余天文学射电天文学小组是，林肯业余天文俱乐部，并萨顿和曼斯菲尔德业余天文俱乐部 – 我意识到没有什么地方比在业余天文学俱乐部更让我感觉自己是业余爱好者了。

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/radio-astronomy-from-amateur-roots-to-worldwide-groups-physics-world-5.jpg" data-caption="激情项目 业余射电天文学家劳伦斯·纽厄尔目前正在英国萨福克建造一座他称之为“五十又四分之三区”的天文台，作为退休项目。天文台包括几个处于不同建设状态的捐赠天线。它们包括两个完全可操纵的 4 m 碟形天线（可以通过努力用于脉冲星接收）和两个 3 m 碟形天线，用作 1420 MHz 的干涉仪。纽厄尔还在开发舒曼共振接收器。（由劳伦斯·纽厄尔博士提供）” title=”点击在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/radio-astronomy-from-amateur-roots-to -worldwide-groups-physical-world-5.jpg”> 一栋低矮的石头建筑前的草坪上有一排几个望远镜天线

激情项目 业余射电天文学家劳伦斯·纽厄尔目前正在建造一个他称之为的天文台萨福克的“五十一又四分之三区”，英国，作为退休项目。天文台包括几个处于不同建设状态的捐赠天线。它们包括两个完全可操纵的 4 m 碟形天线（可以通过努力用于脉冲星接收）和两个 3 m 碟形天线，用作 1420 MHz 的干涉仪。纽厄尔还在开发舒曼共振接收器。（由劳伦斯·纽厄尔博士提供）

确实，当我遇到这样的团体时，我一定会让成员们感到非常失望；并不是说他们让我有这样的感觉。在我承认我不知道他们所指的行星、星座或恒星后，常驻这些俱乐部的光学天文学家通常会从震惊的停顿中恢复过来，而无线电业余爱好者则礼貌地试图克服我缺乏建造经验的问题。或维护射电望远镜。

屋顶上装饰着碟子，电线横跨柱子，各种形状的天线都指向天空。这项技术非常简单且看起来很熟悉，很容易让人认为棚屋里的人只是想利用免费的广播或电视服务。但对我来说，当我看到天线的形状可以接收木星风暴或测量传入的太阳耀斑时，我兴奋地跳了起来。

自愿维护这些望远镜的人通常是曾经在电气工程或雷达科学等领域工作的退休人员。他们是地面无线电技术方面的专家，退休后，他们将设备转向仰视——要么是纯粹的挑战，要么是真正的，因为他们的医生告诉他们，他们不应该再带着笨重的光学管沿着黑暗、冰冷的田野行走。

仍然有很多专业的射电天文学家对他们的天线的了解近乎马语——但我主要是在老式、较小的望远镜上见到他们，在我这一代学者中很少见到他们。在大型合作中，由于规模的必要性，像这样的射电天文学家现在很少见。在我看来，这是一种损失。正是在业余团体寒冷、破旧的棚屋里，我重新发现了射电天文学的精神。这里是真正的射电天文学家，无论业余与否。

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/radio-astronomy-from-amateur-roots-to-worldwide-groups-physics-world-6.jpg" data-caption="公民科学 英国流星信标是一个公民科学项目，旨在建立一个研究流星和电离层的系统。它包括诺丁汉附近的一个信标（左）和遍布英国的四个接收器。在业余无线电和射电天文学之间的合作中，英国无线电协会和英国天文学协会都承担了费用，而志愿者则负责运营该项目。奈杰尔·“斯帕克基”·坎宁顿（右）能够在英国舍伍德天文台射电天文中心观察检测到的流星痕迹，他是该中心的射电天文学协调员。（抄送菲尔·兰德尔 (Phil Randall)，以及布莱恩·科尔曼 (Brian Coleman) 提供的其他信息）。” title=”点击在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/radio-astronomy-from-amateur-roots-to-worldwide-groups-physicals-world -6.jpg>> 两张照片：无线电信标和一名男子坐在办公桌前看着几台数据监视器

公民科学 英国流星信标是一个公民科学项目，旨在建立一个研究流星和电离层的系统。它包括诺丁汉附近的一个信标（左）和遍布英国的四个接收器。在业余无线电和射电天文学之间的合作中，英国无线电协会和英国天文学协会都承担了费用，而志愿者则负责运营该项目。奈杰尔·“斯帕克基”·坎宁顿（右）能够在英国舍伍德天文台射电天文中心观察检测到的流星痕迹，他是该中心的射电天文学协调员。（CC BY Phil Randall，附加信息来自 Brian Coleman）。

历史在乔德雷尔班克天文台的 SKA 总部上显得尤为突出，坐落在标志性洛弗尔望远镜的阴影下。这个 76 m 的天线建于 1957 年，曾经是世界上最大的可操纵射电天线，其建造的惊人壮举意味着自那时以来只有两台望远镜超越了它。德国埃菲尔斯贝格，并绿岸望远镜位于美国西弗吉尼亚州）。

SKA 等大型射电望远镜阵列是在更大区域收集光线的重要下一步。事实上，SKA 是一个干涉仪，其中一部分由西澳大利亚沙漠中的 130,000 个天线组成，这些天线相互连接，以便传入的长波长无线电波“看到”一个巨大的收集区域，从而规避了物理碟形天线的机械工程限制。

一道独特的菜肴很容易被拟人化并受到喜爱；我怀疑由 130,000 个天线组成的阵列不太可能引起那么多的爱和忠诚。也许有人会对天线 118,456 产生好感，它似乎总是厚颜无耻地在周二离线，但笑起来的将是数据工程师。天文学家可能永远不会知道。

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/radio-astronomy-from-amateur-roots-to-worldwide-groups-physics-world-7.jpg" data-caption="未来天文学 西澳大利亚州默奇森规划中的 SKA-Low 车站的艺术想象图。该阵列将包含 131,072 个低频天线，每个天线高 2 m，分为 512 个站。这些组件将在世界各地生产。（版权所有：DISR）” title=”点击在弹出窗口中打开图像” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/radio-astronomy-from-amateur-roots-to-worldwide -groups-physical-world-7.jpg”> 大面积的沙漠，有数百个小天线组成的几个圆形组

流氓射电天文学家

缺乏综合知识引起了一些射电天文学家的担忧，他们知道了解数据收集方式的重要性。我在美国加州大学伯克利分校物理系找到了一位这样的天文学家。作为其董事射电天文实验室, 亚伦帕森斯在我的第一批恒星研究领域做出了重大贡献，领导科学家合作寻找来自早期宇宙的无线电信号。对我来说，参观他的实验室是一次神奇的经历。我飞快地走来走去，举起金属片，欣赏不同的天线，同时兴致勃勃地听帕森斯谈论每一件作品，就好像他是一位充满激情的艺术策展人一样。

亚伦·帕森斯现在是我认为的流氓射电天文学家，他背弃了该领域向全球合作的发展

帕森斯坦率地表达了他对大型合作的担忧（近乎愤世嫉俗），因为效率决定了专业知识的自然分裂。事实上，我现在认为他是一个流氓射电天文学家，他背弃了该领域向全球合作的发展。他甚至在假期时独自或与儿子一起在美国偏远地区露营，寻找完美的峡谷来悬挂他最新的手工天线。

他的独奏合作的独创性明显让人想起雷伯和洛弗尔。帕森斯构建了自己的仪器，始终牢记他对数据的期望。他告诉我，他很难相信任何其他科学家的分析，除非他们自己建造了天线。人们必须了解仪器才能了解其对数据的影响，尤其是当最微小的宇宙学信号可能因错误地模拟天线效应而被消除时，这一点就更是如此。

射电先驱：“业余爱好者”在射电天文学中的持久作用

随着我们现在进入一个巨大的干涉测量时代，我们面临着破坏电气工程和天文学之间紧密联系的风险。事实上，对于一个人，甚至一个博士培训项目来说，在任何一方面表现出专业知识所需的知识都太多了。任何持续关系的幸福取决于共度时光和开诚布公的沟通。像 SKA 这样的大型天文台只有在科学家和工程师交流知识、尊重彼此的专业知识和对自己的技艺的热爱的情况下才能蓬勃发展。两者缺一就等于什么都没有。

从某些方面来说，真正的射电天文学家正在走向消亡。它们主要出现在较小的望远镜或业余俱乐部中；它是为了娱乐而创作的，而不是出版或灭亡。我理解为什么大型合作需要工程师和天文学家之间有明确的分歧，但双方都需要学习一些对方的语言，这样基本的思想联姻才不会动摇。您当地的业余天文俱乐部很可能是做到这一点的最佳场所。