群星族谱——射电星表

□ 余 恒

群星族谱
——射电星表

□ 余 恒

澳大利亚的帕克斯射电望远镜。在这幅“小星球”图片的正上方是被照亮的帕克斯射电望远镜，逆时针方向出现于夜空的依次是月亮、银河和小麦哲伦云。图片来源：APOD

2009国际天文年的时候，我曾被邀请写过一系列介绍星表的文章《群星族谱》。本来计划包含一篇介绍射电星表的文章。但是由于学识有限不敢贸然下笔，便迟迟没有完成。这一拖就是6年。在做过一点射电方面的工作之后，今年我终于能够重拾这个问题，为星表家族补上这一条重要的谱系。

19世纪末，人们发现了电磁波。1901年意大利人马可尼第一次实现了跨越大西洋的无线电信号传输。但是这项技术并没有迅速普及。因为早在1858年美国商人菲尔德就铺设了第一条横跨大西洋的海底电缆，实现了两个大陆之间的有线通信。新生的无线电技术在通信成本和质量上都还无法与之竞争。不过，1912年豪华邮轮泰坦尼克号在撞上冰山后发出的无线电求救信号让它得到了宝贵的海上救援。这次事件充分证明了无线通信无可替代的价值。不久后第一次世界大战爆发，各国军方对无线电的积极运用也极大地推动了无线通信技术的进步。一战结束后不久，人们发现波长几百米的短波可以用于长距离通信。一夜间，无数电台凭空涌现。1922年，马可尼的公司创立了著名的英国广播公司BBC，美国电报电话公司（AT&T，贝尔电话公司的母公司）在纽约设立了第一个商业电台。这个时期，虽然人们在技术上取得了突破，但对无线电传播的原理并不清楚。于是在1925年，已在美国取得垄断地位的AT&T成立了贝尔实验室，希望用基础研究来为技术发展指明方向。

央斯基正在检查他的射电天线

雷伯和他的直径9.6米的抛物面射电望远镜合影

澳大利亚的米尔斯建立的十字形干涉天线，在3.5米的波长（即85.5MHz）上对南天进行了巡天观测

1931年贝尔实验室的年轻工程师卡尔·央斯基（Karl Jansky，1905-1950）在研究短波（20.5MHz）射电干扰的过程中意外发现了来自银河系中心的射电辐射。这是人们第一次意识到地球之外有射电源（那几年太阳活动正好处于极小期，白天增厚的电离层完全挡住了来自太阳的射电辐射）。央斯基希望能够建造更大的望远镜进行更多的观测。但是当时美国正处于大萧条之中，没有机构愿意承担这样耗资巨大的项目。

芝加哥的一位射电工程师雷伯（Grote Reber，1911-2002）对央斯基的发现很感兴趣。他利用自学的射电望远镜知识在自家后院建造了一架直径9.6米的抛物面天线，对天空进行了持续的观测，头两个接收机在3300MHz和900MHz都没有探测到地外信号，1938年他终于在160MHz（波长1.9米）上证实了央斯基的发现。他利用自己的巡天数据绘制了全天的射电强度图，发现最强的射电辐射来自银心方向，并且察觉到天鹅座和仙后座方向有潜在的射电源。在这段时间里，他是世界上唯一进行射电天文观测的人。没人知道遥远的天体是如何发出这些辐射的，也没人知道宇宙中有多少天体有这样的辐射。一个从未被探索过的天空就此呈现在世人面前。

然而，第二次世界大战的爆发改变了所有人的注意力。为了防范德国的空袭，英国人发明了雷达——其实就是广角大功率的短波发射天线和接收机，而最初的原型实验就是利用BBC的广播站完成的。在战争的推动下，无线电技术又一次取得了突飞猛进的发展。

先进的雷达技术帮助盟军取得了战争的胜利。当天空中不再出现令人战栗的机群，这些巨大的天线眼中只剩下地面嘈杂的声音和遥远的星光。卸下战时任务的科学家们开始仔细研究战争期间遗留的科学问题。英国、美国以及作为重要盟友的澳大利亚迅速成为射电天文学的中心。

曾参与军方雷达设计的英国物理学家赖尔（Martin Ryle，1918-1984）复员到剑桥大学卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory），开始研究雷达探测到的不明噪声。他在剑桥建设了一架长基线迈克尔逊干涉仪（Long Michelson Interferometer），在3.7米的波长（即81.5MHz）上对天空进行系统扫描。初步的结果在1950年发表（Preliminary survey of the radio stars in the Northern Hemisphere），被称为第一次剑桥射电巡天，简称1C星表。这个表包括了50个射电源，后来证实其中很多并不是真正的天体，只是干扰信号。赖尔随后加装了2个天线，把四个接收器摆成直角，在相同的波段上进行了第二次巡天。1955年发表的2C星表中包含了赤纬-38°到+83°之间的1936个射电源。

与此同时，澳大利亚的米尔斯（Bernard Yarnton Mills，1920-2011）也建立了自己的十字形干涉天线，在3.5米的波长（即85.5MHz）上对南天进行巡天。他们的结果在1958-1961年间发表，被称为悉尼射电源巡天（Sydney Radio Source Survey），这是第一份南天的射电源表，共给出了-80°到+10°之间的2270个射电源。他们将自己的结果与2C星表的重合天区进行了比对，发现两者结果出入很大。受当时技术条件的限制，这两个星表的角分辨率并不高，还包含许多干扰信号，因此并没在天文界产生持久的影响。

由于电磁波频率越高、波长越短，在望远镜口径设计不变的情况下，提高观测的频率能够直接获得更高的角分辨率，从而更好地定位天空中的射电源。剑桥的团队将接收机的工作频段提高到159MHz重新巡天，在1959年发布了第三版剑桥射电巡天（Third Cambridge Survey）星表，这便是著名的3C星表（Vizier数据库编号为VIII/1A，之前发表的射电源星表因为可信度不高，没有被数据库收录）。其中包含了471个分布在赤纬-22°和+71°之间的天体，以3C为前缀顺序编号。这版星表是第一个可靠的射电星表，直接带来了类星体的发现。其中记录的亮源直到现在仍然被用作射电观测中的校准星。

在整个50年代，剑桥的射电研究团队一方面用这架天线巡视天空，持续更新他们的射电源表，另一方面也在探索新的观测技术。3C星表的作者列表中甚至没有赖尔的名字，因为他当时正致力于一项革命性的技术——综合孔径。1958年，赖尔在他所管理的玛拉德射电天文台（Mullard Radio Astronomy Observatory）建造了世界上第一个综合孔径望远镜并进行了成功的试观测。后来他因为这项技术获得了1974年的诺贝尔物理学奖。他的研究团队利用这个全新的设备在178MHz波段进行了巡天。结果在1965年和1967年发表，被称为4C星表（VIII/4）。其中包含赤纬在-07°和+80°之间4844个亮于2Jy的射电源，无论是数目还是质量都大大超出了之前的成果，为一时之最。

其实，剑桥星表所用的甚高频（VHF，30～300MHz）并不是理想的天文观测波段。这个范围的电磁波波束宽，噪声高，但是因为接收机工艺简单，成本较低而在早期的天线上广泛使用。后来的射电巡天大都采用了更高的频段。

随着各国经济的复苏，加上苏联1957年首颗人造卫星升空的刺激，大型射电望远镜的建造在各个国家都迅速上升到战略高度。1957年英国焦德雷班克口径76米的可动射电望远镜（Jordrell Mark I，现称洛厄尔望远镜）落成；1961年，澳大利亚64米的帕克斯射电望远镜（Parkes）完工；1962年美国射电天文台（NRAO）的91米望远镜开光；1963年美国在波多黎各的阿雷西沃建成直径300米的固定式球面望远镜；1967年意大利博洛尼亚大学“北十字”（Northern Cross）干涉阵建成……射电天文学的黄金时代就此到来。

澳大利亚悉尼大学的莫隆格勒十字干涉阵（Molonglo Cross)是一个放大版的米尔斯十字干涉阵，在从1968-1978年的十年间对南天进行了408MHz的巡天观测，在1981年公布了分布在-85°和+18°之间亮于1Jy的12141颗射电源，被称为莫隆格勒射电源参考星表（Molonglo Reference Catalogue of Radio Sources，MRC，VIII/2），并在1991年进行了更新（VIII/16）。

在北半球，意大利国立射电天文实验室（Laboratorio Nazionale di Radioastronomia）在利用新建的“北十字”观测阵（虽然计划建成十字形，但最后只完成了一个T形的阵列）进行了成功的初步观测之后，决定在408MHz波段开展巡天观测。在1970-1974年间，他们在北天21°到40°之间探测到了9929个射电源，被称为第二次博洛尼亚射电巡天（The Second Bologna Survey ，简称B2，VIII/36)。在1985年，他们又发表了第三次博洛尼亚巡天（简称B3，VIII/37）的结果，公布了在赤纬+37°和+47°之间的13340个亮于0.1Jy的射电源。

在20世纪70年代，世界上的大口径单碟射电望远镜主要被用于空间通信，射电巡天主要由射电干涉阵完成。随着美苏的太空竞赛告一段落，这些庞然大物才又回到科学领域当中。

美国射电天文台位于西弗吉尼亚州绿岸的91米望远镜（官方名称为“300英寸望远镜”）作为当时最大的全动单碟射电望远镜，于1986年11月到1987年10月间在4.85GHz波段对北天0°到75°之间6球面度的天空进行了系统的扫描。得益于望远镜巨大的接收面积，这次巡天发现了54579个亮于25mJy的射电源，角分辨率为10.5角分，被称为87版GB射电星表（87GB Catalog of radio sources， VIII/14）。但是在1988年冬天的一个晚上，由于支撑部件的老化断裂，这架巨型望远镜轰然倒塌。后来美国射电天文台又在原址建造了一架口径100×110米的望远镜，被称作“绿岸望远镜”（Green Bank Telescope, GBT）。2001年完工以来这一直是世界上最大的全动射电望远镜。后来他们综合两年的观测数据，成功压低了背景噪声，将探测极限扩展到18mJy，在1996年发表了包含75162个射电源的新表，被称为GB06年版射电源表（GB6 catalog of radio sources，VIII/40），不过这是后话了。

在300英寸望远镜倒塌之后，它的多波束接收机并未受到严重影响。于是被装到了澳大利亚的帕克斯望远镜上，在1990年6月到11月进行了4.85GHz南天巡天。这个巡天被称作帕克斯-麻省理工-美国射电天文台联合巡天（Parkes-MIT-NRAO 4.85GHz Surveys，简称 PMN，VIII/38），记录了+10°到-87.5°之间的约5万个射电源，空间分辨率为4角分左右。因为帕克斯望远镜的口径要小一些，所以探测极限也相应亮一些，大致在40mJy以上。这个巡天和GB巡天一起实现了5GHz波段对全天的覆盖。

位于美国西弗吉尼亚州绿岸的绿岸射电望远镜（Green Bank Telescope, GBT），口径为100×110米。图片来源：APOD

在70年代，天文学家们在建造大型全动望远镜的过程中逐渐意识到，现有的全动望远镜已经接近工程技术的极限，没有人再试图建造口径大于100米的全动望远镜。于是转而发展用多架小型全动望远镜组合实现大口径观测的新技术。

我国在改革开放后开始研制的第一架射电望远镜就是这种类型。1985年北京天文台在北京郊区的密云水库旁建设了一个28面9米口径望远镜组成的综合孔径射电阵（Miyun 232 MHz Synthesis Radio Telescope ），并用它开展了巡天观测。研究组在1997年发表了包含34462个射电源星表（VIII/44），这是我国第一个也是目前唯一的一个射电星表。可与同时期151.5MHz波段的剑桥6C星表(1985-1993，VIII/18,21,22,23,24,25)，美国得克萨斯大学射电天文台的365MHz巡天（1996，VIII/42）相互参照。

1981年美国射电天文台在新墨西哥州建成了由27台25米口径的全动望远镜组成的甚大阵（VLA），每个单元重达230吨，可以沿着Y形的轨道移动，最大基线为36千米，在43GHz上的角分辨率好于0.04角秒。在很长一段时间里这都是世界上最大的射电望远镜阵列。VLA在20世纪90年代同时启动了两项重要的1.4GHz巡天：一个是射电天文台甚大阵巡天（NRAO VLA Sky Survey，简称NVSS）；另一个是更高精度的小范围巡天——射电暗源巡天 (Faint Images of the Radio Sky at Twenty centimeters，简称FIRST)。

位于北京郊区密云水库旁的由28面9米口径望远镜组成的综合孔径射电阵。图片来源：苏晨

主导NVSS巡天的天文学家康顿（J. J. Condon）是美国国立射电天文台资深的射电专家。他在1985-1986年期间就曾使用300英寸望远镜在1.4GHz进行了巡天（VIII/6）。VLA的建造成功为他提供了理想的工具。NVSS在1993-1996年间观测了赤纬-40°以北的全部天空，是迄今为止完备度最高射电单一巡天。它探测到了数百万亮于2.5mJy的射电源，角分辨率为45角分（VIII/65）。

与追求天区覆盖率的NVSS不同，FIRST项目的目标是产生与光学波段著名的帕洛马巡天图片质量相当的高分辨率射电图像。因此他们的观测时间要长得多。第一期的观测从1993年一直持续到2004年，在2009-2011年间还进行了对南天的补充观测。它的点源探测极限为1mJy，角分辨率达到5角秒，是目前质量最高的射电巡天数据。不过它的天区覆盖度只有南北银极附近的1万平方度，是NVSS的三分之一。就在2015年，FIRST项目组终于发表了最后一版包含近一百万射电源的星表（VIII/92），为这个历时二十多年的宏大项目画上了一个圆满的句号。

美国射电天文台建设的全动望远镜组成的甚大阵，其中每个单元重达230吨，可以沿着Y形的轨道移动，最大基线为36千米，在43GHz上的角分辨率好于0.04角秒。图片来源：APOD

但是，一个频段上的数据并不足以揭示天体的奥秘。在大西洋的另一侧，荷兰天文学家在1991年也利用他们11面口径25米天线组成的韦斯特博克综合孔径射电望远镜（Westerbork Synthesis Radio Telescope，WSRT）在330MHz波段对北黄极附近天区进行巡天，并与该天区1.5GHz的VLA数据，151MHz的剑桥7C巡天，伦琴X射线天文台（ROSAT）的X射线波段数据，以及红外天文卫星（IRAS）的红外巡天数据进行了交叉比对。后来这个项目扩展到整个北天，覆盖了赤纬30°以北的全部天区，变成韦斯特博克北天巡天（Westerbork Northern Sky Survey，简称WENSS，VIII/62，1998），包含20多万射电源，极限流量为18mJy。

悉尼大学的莫隆格勒十字干涉阵在1978年升级为莫隆格勒综合孔径望远镜（Molonglo Observatory Synthesis Telescope，简称MOST），在1997年又再次升级为宽视场望远镜，从1999-2007年开始执行悉尼大学莫隆格勒巡天（Sydney University Molonglo Sky Survey ，简称SUMSS)。它在843MHz上对-30°以南的天区进行观测。在6mJy的探测极限上找到20多万射电源（VIII/81B），角分辨率好于10角秒，结合NVSS数据实现了对全天的覆盖。

美国的VLA也不仅仅工作在1.5GHz上，1998年安装的新式74MHz探测器克服了早期低频接收机噪声高、定位能力差的缺点。这个探测器在2001-2007年间对-30°以北的天区开展系统观测，被称为VLA低频巡天（VLA Low-frequency Sky Survey，简称VLSS，VIII/79A ），发现了近7万亮于0.7Jy的点源，角分辨率为80角分。

这样的项目还可以罗列很多，每个都是一整个研究团队多年的努力和积累，凝聚了研究生的梦想，工程师的骄傲，科学家的抱负。当最初的构想变成最终的成果时，风华少年已两鬓斑白……然而我们总是需要积累更多波段、更高灵敏度的数据来认识这些遥远的天体。我国的500米射电望远镜FAST已经完工，国际合作的平方千米阵列（SKA）作为前所未有的巨型射电望远镜阵也在筹划建设当中……我们对宇宙的认识没有尽头，对它的探索也不会停止。

（责任编辑 冯翀）

我国的500米口径球面射电望远镜FAST，这是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜，其外形像一口巨大的锅，接收面积相当于30个标准足球场