群星族譜
——射電星表

□ 余 恒

群星族譜
——射電星表

□ 余 恒

澳大利亞的帕克斯射電望遠鏡。在這幅“小星球”圖片的正上方是被照亮的帕克斯射電望遠鏡，逆時針方向出現于夜空的依次是月亮、銀河和小麥哲倫云。圖片來源：APOD

2009國際天文年的時候，我曾被邀請寫過一系列介紹星表的文章《群星族譜》。本來計劃包含一篇介紹射電星表的文章。但是由于學識有限不敢貿然下筆，便遲遲沒有完成。這一拖就是6年。在做過一點射電方面的工作之后，今年我終于能夠重拾這個問題，為星表家族補上這一條重要的譜系。

19世紀末，人們發現了電磁波。1901年意大利人馬可尼第一次實現了跨越大西洋的無線電信號傳輸。但是這項技術并沒有迅速普及。因為早在1858年美國商人菲爾德就鋪設了第一條橫跨大西洋的海底電纜，實現了兩個大陸之間的有線通信。新生的無線電技術在通信成本和質量上都還無法與之競爭。不過，1912年豪華郵輪泰坦尼克號在撞上冰山后發出的無線電求救信號讓它得到了寶貴的海上救援。這次事件充分證明了無線通信無可替代的價值。不久后第一次世界大戰爆發，各國軍方對無線電的積極運用也極大地推動了無線通信技術的進步。一戰結束后不久，人們發現波長幾百米的短波可以用于長距離通信。一夜間，無數電臺憑空涌現。1922年，馬可尼的公司創立了著名的英國廣播公司BBC，美國電報電話公司（AT&T，貝爾電話公司的母公司）在紐約設立了第一個商業電臺。這個時期，雖然人們在技術上取得了突破，但對無線電傳播的原理并不清楚。于是在1925年，已在美國取得壟斷地位的AT&T成立了貝爾實驗室，希望用基礎研究來為技術發展指明方向。

央斯基正在檢查他的射電天線

雷伯和他的直徑9.6米的拋物面射電望遠鏡合影

澳大利亞的米爾斯建立的十字形干涉天線，在3.5米的波長（即85.5MHz）上對南天進行了巡天觀測

1931年貝爾實驗室的年輕工程師卡爾·央斯基（Karl Jansky，1905-1950）在研究短波（20.5MHz）射電干擾的過程中意外發現了來自銀河系中心的射電輻射。這是人們第一次意識到地球之外有射電源（那幾年太陽活動正好處于極小期，白天增厚的電離層完全擋住了來自太陽的射電輻射）。央斯基希望能夠建造更大的望遠鏡進行更多的觀測。但是當時美國正處于大蕭條之中，沒有機構愿意承擔這樣耗資巨大的項目。

芝加哥的一位射電工程師雷伯（Grote Reber，1911-2002）對央斯基的發現很感興趣。他利用自學的射電望遠鏡知識在自家后院建造了一架直徑9.6米的拋物面天線，對天空進行了持續的觀測，頭兩個接收機在3300MHz和900MHz都沒有探測到地外信號，1938年他終于在160MHz（波長1.9米）上證實了央斯基的發現。他利用自己的巡天數據繪制了全天的射電強度圖，發現最強的射電輻射來自銀心方向，并且察覺到天鵝座和仙后座方向有潛在的射電源。在這段時間里，他是世界上唯一進行射電天文觀測的人。沒人知道遙遠的天體是如何發出這些輻射的，也沒人知道宇宙中有多少天體有這樣的輻射。一個從未被探索過的天空就此呈現在世人面前。

然而，第二次世界大戰的爆發改變了所有人的注意力。為了防范德國的空襲，英國人發明了雷達——其實就是廣角大功率的短波發射天線和接收機，而最初的原型實驗就是利用BBC的廣播站完成的。在戰爭的推動下，無線電技術又一次取得了突飛猛進的發展。

先進的雷達技術幫助盟軍取得了戰爭的勝利。當天空中不再出現令人戰栗的機群，這些巨大的天線眼中只剩下地面嘈雜的聲音和遙遠的星光。卸下戰時任務的科學家們開始仔細研究戰爭期間遺留的科學問題。英國、美國以及作為重要盟友的澳大利亞迅速成為射電天文學的中心。

曾參與軍方雷達設計的英國物理學家賴爾（Martin Ryle，1918-1984）復員到劍橋大學卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory），開始研究雷達探測到的不明噪聲。他在劍橋建設了一架長基線邁克爾遜干涉儀（Long Michelson Interferometer），在3.7米的波長（即81.5MHz）上對天空進行系統掃描。初步的結果在1950年發表（Preliminary survey of the radio stars in the Northern Hemisphere），被稱為第一次劍橋射電巡天，簡稱1C星表。這個表包括了50個射電源，后來證實其中很多并不是真正的天體，只是干擾信號。賴爾隨后加裝了2個天線，把四個接收器擺成直角，在相同的波段上進行了第二次巡天。1955年發表的2C星表中包含了赤緯-38°到+83°之間的1936個射電源。

與此同時，澳大利亞的米爾斯（Bernard Yarnton Mills，1920-2011）也建立了自己的十字形干涉天線，在3.5米的波長（即85.5MHz）上對南天進行巡天。他們的結果在1958-1961年間發表，被稱為悉尼射電源巡天（Sydney Radio Source Survey），這是第一份南天的射電源表，共給出了-80°到+10°之間的2270個射電源。他們將自己的結果與2C星表的重合天區進行了比對，發現兩者結果出入很大。受當時技術條件的限制，這兩個星表的角分辨率并不高，還包含許多干擾信號，因此并沒在天文界產生持久的影響。

由于電磁波頻率越高、波長越短，在望遠鏡口徑設計不變的情況下，提高觀測的頻率能夠直接獲得更高的角分辨率，從而更好地定位天空中的射電源。劍橋的團隊將接收機的工作頻段提高到159MHz重新巡天，在1959年發布了第三版劍橋射電巡天（Third Cambridge Survey）星表，這便是著名的3C星表（Vizier數據庫編號為VIII/1A，之前發表的射電源星表因為可信度不高，沒有被數據庫收錄）。其中包含了471個分布在赤緯-22°和+71°之間的天體，以3C為前綴順序編號。這版星表是第一個可靠的射電星表，直接帶來了類星體的發現。其中記錄的亮源直到現在仍然被用作射電觀測中的校準星。

在整個50年代，劍橋的射電研究團隊一方面用這架天線巡視天空，持續更新他們的射電源表，另一方面也在探索新的觀測技術。3C星表的作者列表中甚至沒有賴爾的名字，因為他當時正致力于一項革命性的技術——綜合孔徑。1958年，賴爾在他所管理的瑪拉德射電天文臺（Mullard Radio Astronomy Observatory）建造了世界上第一個綜合孔徑望遠鏡并進行了成功的試觀測。后來他因為這項技術獲得了1974年的諾貝爾物理學獎。他的研究團隊利用這個全新的設備在178MHz波段進行了巡天。結果在1965年和1967年發表，被稱為4C星表（VIII/4）。其中包含赤緯在-07°和+80°之間4844個亮于2Jy的射電源，無論是數目還是質量都大大超出了之前的成果，為一時之最。

其實，劍橋星表所用的甚高頻（VHF，30～300MHz）并不是理想的天文觀測波段。這個范圍的電磁波波束寬，噪聲高，但是因為接收機工藝簡單，成本較低而在早期的天線上廣泛使用。后來的射電巡天大都采用了更高的頻段。

隨著各國經濟的復蘇，加上蘇聯1957年首顆人造衛星升空的刺激，大型射電望遠鏡的建造在各個國家都迅速上升到戰略高度。1957年英國焦德雷班克口徑76米的可動射電望遠鏡（Jordrell Mark I，現稱洛厄爾望遠鏡）落成；1961年，澳大利亞64米的帕克斯射電望遠鏡（Parkes）完工；1962年美國射電天文臺（NRAO）的91米望遠鏡開光；1963年美國在波多黎各的阿雷西沃建成直徑300米的固定式球面望遠鏡；1967年意大利博洛尼亞大學“北十字”（Northern Cross）干涉陣建成……射電天文學的黃金時代就此到來。

澳大利亞悉尼大學的莫隆格勒十字干涉陣（Molonglo Cross)是一個放大版的米爾斯十字干涉陣，在從1968-1978年的十年間對南天進行了408MHz的巡天觀測，在1981年公布了分布在-85°和+18°之間亮于1Jy的12141顆射電源，被稱為莫隆格勒射電源參考星表（Molonglo Reference Catalogue of Radio Sources，MRC，VIII/2），并在1991年進行了更新（VIII/16）。

在北半球，意大利國立射電天文實驗室（Laboratorio Nazionale di Radioastronomia）在利用新建的“北十字”觀測陣（雖然計劃建成十字形，但最后只完成了一個T形的陣列）進行了成功的初步觀測之后，決定在408MHz波段開展巡天觀測。在1970-1974年間，他們在北天21°到40°之間探測到了9929個射電源，被稱為第二次博洛尼亞射電巡天（The Second Bologna Survey ，簡稱B2，VIII/36)。在1985年，他們又發表了第三次博洛尼亞巡天（簡稱B3，VIII/37）的結果，公布了在赤緯+37°和+47°之間的13340個亮于0.1Jy的射電源。

在20世紀70年代，世界上的大口徑單碟射電望遠鏡主要被用于空間通信，射電巡天主要由射電干涉陣完成。隨著美蘇的太空競賽告一段落，這些龐然大物才又回到科學領域當中。

美國射電天文臺位于西弗吉尼亞州綠岸的91米望遠鏡（官方名稱為“300英寸望遠鏡”）作為當時最大的全動單碟射電望遠鏡，于1986年11月到1987年10月間在4.85GHz波段對北天0°到75°之間6球面度的天空進行了系統的掃描。得益于望遠鏡巨大的接收面積，這次巡天發現了54579個亮于25mJy的射電源，角分辨率為10.5角分，被稱為87版GB射電星表（87GB Catalog of radio sources， VIII/14）。但是在1988年冬天的一個晚上，由于支撐部件的老化斷裂，這架巨型望遠鏡轟然倒塌。后來美國射電天文臺又在原址建造了一架口徑100×110米的望遠鏡，被稱作“綠岸望遠鏡”（Green Bank Telescope, GBT）。2001年完工以來這一直是世界上最大的全動射電望遠鏡。后來他們綜合兩年的觀測數據，成功壓低了背景噪聲，將探測極限擴展到18mJy，在1996年發表了包含75162個射電源的新表，被稱為GB06年版射電源表（GB6 catalog of radio sources，VIII/40），不過這是后話了。

在300英寸望遠鏡倒塌之后，它的多波束接收機并未受到嚴重影響。于是被裝到了澳大利亞的帕克斯望遠鏡上，在1990年6月到11月進行了4.85GHz南天巡天。這個巡天被稱作帕克斯-麻省理工-美國射電天文臺聯合巡天（Parkes-MIT-NRAO 4.85GHz Surveys，簡稱 PMN，VIII/38），記錄了+10°到-87.5°之間的約5萬個射電源，空間分辨率為4角分左右。因為帕克斯望遠鏡的口徑要小一些，所以探測極限也相應亮一些，大致在40mJy以上。這個巡天和GB巡天一起實現了5GHz波段對全天的覆蓋。

位于美國西弗吉尼亞州綠岸的綠岸射電望遠鏡（Green Bank Telescope, GBT），口徑為100×110米。圖片來源：APOD

在70年代，天文學家們在建造大型全動望遠鏡的過程中逐漸意識到，現有的全動望遠鏡已經接近工程技術的極限，沒有人再試圖建造口徑大于100米的全動望遠鏡。于是轉而發展用多架小型全動望遠鏡組合實現大口徑觀測的新技術。

我國在改革開放后開始研制的第一架射電望遠鏡就是這種類型。1985年北京天文臺在北京郊區的密云水庫旁建設了一個28面9米口徑望遠鏡組成的綜合孔徑射電陣（Miyun 232 MHz Synthesis Radio Telescope ），并用它開展了巡天觀測。研究組在1997年發表了包含34462個射電源星表（VIII/44），這是我國第一個也是目前唯一的一個射電星表?？膳c同時期151.5MHz波段的劍橋6C星表(1985-1993，VIII/18,21,22,23,24,25)，美國得克薩斯大學射電天文臺的365MHz巡天（1996，VIII/42）相互參照。

1981年美國射電天文臺在新墨西哥州建成了由27臺25米口徑的全動望遠鏡組成的甚大陣（VLA），每個單元重達230噸，可以沿著Y形的軌道移動，最大基線為36千米，在43GHz上的角分辨率好于0.04角秒。在很長一段時間里這都是世界上最大的射電望遠鏡陣列。VLA在20世紀90年代同時啟動了兩項重要的1.4GHz巡天：一個是射電天文臺甚大陣巡天（NRAO VLA Sky Survey，簡稱NVSS）；另一個是更高精度的小范圍巡天——射電暗源巡天 (Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters，簡稱FIRST)。

位于北京郊區密云水庫旁的由28面9米口徑望遠鏡組成的綜合孔徑射電陣。圖片來源：蘇晨

主導NVSS巡天的天文學家康頓（J. J. Condon）是美國國立射電天文臺資深的射電專家。他在1985-1986年期間就曾使用300英寸望遠鏡在1.4GHz進行了巡天（VIII/6）。VLA的建造成功為他提供了理想的工具。NVSS在1993-1996年間觀測了赤緯-40°以北的全部天空，是迄今為止完備度最高射電單一巡天。它探測到了數百萬亮于2.5mJy的射電源，角分辨率為45角分（VIII/65）。

與追求天區覆蓋率的NVSS不同，FIRST項目的目標是產生與光學波段著名的帕洛馬巡天圖片質量相當的高分辨率射電圖像。因此他們的觀測時間要長得多。第一期的觀測從1993年一直持續到2004年，在2009-2011年間還進行了對南天的補充觀測。它的點源探測極限為1mJy，角分辨率達到5角秒，是目前質量最高的射電巡天數據。不過它的天區覆蓋度只有南北銀極附近的1萬平方度，是NVSS的三分之一。就在2015年，FIRST項目組終于發表了最后一版包含近一百萬射電源的星表（VIII/92），為這個歷時二十多年的宏大項目畫上了一個圓滿的句號。

美國射電天文臺建設的全動望遠鏡組成的甚大陣，其中每個單元重達230噸，可以沿著Y形的軌道移動，最大基線為36千米，在43GHz上的角分辨率好于0.04角秒。圖片來源：APOD

但是，一個頻段上的數據并不足以揭示天體的奧秘。在大西洋的另一側，荷蘭天文學家在1991年也利用他們11面口徑25米天線組成的韋斯特博克綜合孔徑射電望遠鏡（Westerbork Synthesis Radio Telescope，WSRT）在330MHz波段對北黃極附近天區進行巡天，并與該天區1.5GHz的VLA數據，151MHz的劍橋7C巡天，倫琴X射線天文臺（ROSAT）的X射線波段數據，以及紅外天文衛星（IRAS）的紅外巡天數據進行了交叉比對。后來這個項目擴展到整個北天，覆蓋了赤緯30°以北的全部天區，變成韋斯特博克北天巡天（Westerbork Northern Sky Survey，簡稱WENSS，VIII/62，1998），包含20多萬射電源，極限流量為18mJy。

悉尼大學的莫隆格勒十字干涉陣在1978年升級為莫隆格勒綜合孔徑望遠鏡（Molonglo Observatory Synthesis Telescope，簡稱MOST），在1997年又再次升級為寬視場望遠鏡，從1999-2007年開始執行悉尼大學莫隆格勒巡天（Sydney University Molonglo Sky Survey ，簡稱SUMSS)。它在843MHz上對-30°以南的天區進行觀測。在6mJy的探測極限上找到20多萬射電源（VIII/81B），角分辨率好于10角秒，結合NVSS數據實現了對全天的覆蓋。

美國的VLA也不僅僅工作在1.5GHz上，1998年安裝的新式74MHz探測器克服了早期低頻接收機噪聲高、定位能力差的缺點。這個探測器在2001-2007年間對-30°以北的天區開展系統觀測，被稱為VLA低頻巡天（VLA Low-frequency Sky Survey，簡稱VLSS，VIII/79A ），發現了近7萬亮于0.7Jy的點源，角分辨率為80角分。

這樣的項目還可以羅列很多，每個都是一整個研究團隊多年的努力和積累，凝聚了研究生的夢想，工程師的驕傲，科學家的抱負。當最初的構想變成最終的成果時，風華少年已兩鬢斑白……然而我們總是需要積累更多波段、更高靈敏度的數據來認識這些遙遠的天體。我國的500米射電望遠鏡FAST已經完工，國際合作的平方千米陣列（SKA）作為前所未有的巨型射電望遠鏡陣也在籌劃建設當中……我們對宇宙的認識沒有盡頭，對它的探索也不會停止。

（責任編輯 馮翀）

我國的500米口徑球面射電望遠鏡FAST，這是具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，其外形像一口巨大的鍋，接收面積相當于30個標準足球場