1.引言

和很多其他科学领域相反，射电天文学的诞生能很准确地记录下来。早在三十年代，贝尔电话实验室的工程师卡尔 · 古特 · 扬斯基用高定向天线在14.6米波长研究大气噪声，他发现每天当恒星时与太阳时差4分钟时，天线噪声达到一个最大值。他用我们银河系的中心位置辨别出最大强度的方向。他发现我们现在知道的是漫射星系的同步加速器的放射，它是由在星系磁场中旋转的相对论电子引起的。扬斯基在1933年的PIRE杂志上发表了他的发现，即观测到的天线噪声来自于星系。因此，今年我们庆祝射电天文学诞生五十周年。

扬斯基的发现首先为格罗特 · 雷伯所接受。他是一个业余天文学家，他用抛物面反射体制成了他自己的射电望远镜。他在1.9米波长上作了首次巡天观测，并在1944年发表了他的第一张射电天空图。

和光谱相反，一个很宽频带的连续放射是宇宙无线电辐射的主要部分。1951年，尤恩和珀塞尔发现星际空间最丰富的元素氢原子21厘米超精细结构光谱线，这一事实与天文学的预测很接近。检测这条光谱线的可能性是在1944年为荷兰研究生汉克 · 范 · 德 · 赫尔斯特所预言。

光谱线需要几千度K的激励温度，而无线电波谱线在几度K已能碰撞激励。因此光学观测主要涉及到热离子气体，像恒星大气或HⅡ区域。另一方面，由Hλ21厘米谱线的检测和一系列分子光谱线的探测（今天大于200条光谱线）发展起来的无线电波谱学为天文学打开了一个完全不同的窗口。它容许我们首次观测很冷的星际气体，特别是恒星形成物外面的巨大分子云的内部。

二次世界大战期间先进微波技术的发展对1945年后射电天文学的发展有巨大的影响。它为射电天文学提供了设备和训练有素的工程师和物理学家，他们成了第一代射电天文学家。

和光学天文不同，大气骚动不是射电望远镜角分辨率的基本限制。因此建造一个天线阵，它的间距接近地球的直径应该是可能的。它的限制是天线阵的所有天线必须能同时观测同一个射电源。这就导致甚长基线干涉仪的观测技术（VLBI）。在欧亚和美洲大陆的现有射电望远镜被结合形成一个巨大的阵。把信号记录在磁带上，然后在特殊计算机中进行扣关（VLBI处理机）。欧洲的处理中心在西德波恩的马克所 · 普朗克射电天文研究所。

至此我们谈的是观测技术，现在让我们回到天文学上来，最近十年，在很大程度上要归功于射电天文学，它使我们学到了很多关于宇宙起源的知识。在几十万年前，宇宙从极稠密和温度极高的状态开始向外扩展。在它膨胀的头几百万年时，它停留在热动力平衡状态。成功地描述宇宙早期阶段的物理模型叫做“标准大爆炸模型”。它表示出在膨胀开始后的大约三分钟，氢氦和锂（它们的同位素）而不是较重的元素就形成了。大约在七十万年后，宇宙冷到3000°K，在这个温度上，自由电子和氢以及氦核能够结合，并形成原子。直?这个时候，辐射和物质通过光子向自由电子扩散耦合在一起。在大多数自由电子消失以后（束缚在原子里），宇宙变成透明的。今天辐射场（或光子气体）已经冷到3°K以下，它的普朗克光谱可在无线电和亚毫米波段观测到。就其整体来说，氢和氦继续膨胀，但是很快开始形成巨大的云。这些云（或原始星系）崩溃形成星系。它就是今天宇宙的建筑块。

银河系是巨大的恒星系统，像我们自己的银河系一样，它典型地包含几千亿颗恒星。这些恒星围绕它的引力中心旋转，用这种方法来稳定系统，也就是在任何一点重力引力正好被离心力所补偿。在压力和引力之间的同样平衡形式在像我们太阳这颗恒星里也发现。这些星已从原始星系的很稀薄气体中凝集出来，由于自身引力的缘故而收缩。在收缩的原始星的中心，温度升高到几千万度K。因此氢核聚变成氦星（原理上这与氢弹的过程相同）产生暂时反平衡引力的能量（热），在它们演化的后阶段，恒星燃烧氦变成较重的元素（包括铁），直到每个核子具有最高约束能的核为止。因此恒星的中心部分爆聚并形成（与它的质量有关）白矮星，中子星或者黑洞。而它的外壳回到星际空间。这是星际气体浓缩的过程，变成比氦和锂更重的元素。我们应该把我们行星和它的家族的存在归功于所谓银河系的“化学演化”。

恒星是光学天文学家观测的主要对象。它的表面温度范围从3000 ~ 5000°K，它的放射遵循普朗克辐射定律（很粗糙的近似）。恒星在无线电波长上的放射是很小的。假如物质仅仅以恒星的形式存在，射电天文将绝不会变成有发展的天文学领域。射电天文学事实上已变成天文学的第二个最重要的领域，原因是星际空间（也就是在恒星间的空间）充满了各种形式的物质。在我们银河系里，大约有总质量的5%仍然以星际气体形式存在。它的存在已为光学天文学家所熟知，因为其中较重的元素凝聚出来并形成尘粒，它很有效地吸收和散射星光。并且在很热和很重的星附近，周围的气体完全被恒星的紫外辐射所电离，然而只有射电天文，它能揭示中性和离化的星际气体在我们和其他螺旋星系圆盘中的总分布。恒星形成和化学演化的整个概念只能用射电天文来解决，新近也用红外观测来解决。星际气体的平均密度是1 H原子/厘米³，恒星形成的第一步是形成巨大的云，它有相当高的密度 ~ 10³原子/厘米³和很低的温度（ ~ 10 K）。在这些云里，大多数氢是H₂的形式。在这样低的温度，它没有可观测的光谱线，但是除了氢分子外，有像CO，H₂CO和NH₃分子（定名仅限于50个以上的分子）今天已在星际空间得到证实），它的射电频谱线可以观测到。它告诉我们这些恒星形成的前兆的物理状态。

恒星辐射的大部分事实上是为尘埃所吸收。这就升高了尘粒的温度，它再辐射吸收的能量，但是波长要长得多。总的射电和远红外辐射是离化气体自由——自由辐射和尘粒的准热辐射的叠加。在我们银河系里对HⅡ区域的射电观测已显示出化学元素分布的梯度存在。这是恒星大规模形成信息的主要来源。

现在让我转到其他星系。我们自己的银河系是一个正规的螺旋星系，它的光谱范围是从短的无线电波到远紫外波长。无线电放射是自由——自由辐射和同步加速器辐射的叠加。光谱是红外放射占主导，它是尘粒吸收的恒星辐射的再放射（1毫米＞λ＞1微米）和恒星的直接放射（10微米＞λ＞0.09微米）。超过0.09微米这个莱曼连续区极限，光子能离化氢，因此，在放射它们的恒星附近实际上全被吸收，只有在X射线区域，星际物质才再次变成透明的。假如我们要比较每个对数频率间隔的能量，我们必须用频率v乘通量密度Sv，在这种情况下，我们将看到恒星的直接辐射仍然是光谱的主要特色，银河系只有20%的恒星辐射转换为红外辐射。

假如所有的星系皆像我们的星系一样，我们就能观察到一些附近的星系，但是有关于宇宙大范围结构的所有信息皆来自光学观测。然而系统地巡天射电观测揭开了一些新型的天体，叫射电星系和类星体。它是—个在它演化的某特殊阶段的星系。这阶段在它的中心区释放出大量的能量。提供这些能量的“发动机”特性迄今还不能完全理解。但是它不可能是赋以恒星动力的聚变过程，这是很清楚的。它更像物质烧结成很巨大的天体，像黑洞，其过程比氢燃烧有效十倍。不管是什么样的机制，它把总能量的大部分成功地转换为产生速度接近光速的相对论电子。由于这些电子在磁场中的旋转，它放射出同步加速器的辐射。看来这是射电星系和类星体的主要辐射机制。它在无钱电波长上辐射的能量和光波段一样多。由于光学和无线电天文的极成功的合作，发现了这样一些高放射性核的特殊星系。它离开我们的距离大约是宇宙半径的90%，或难以表示些，即在演化阶段，我们能看到的相当于一个年龄大约是宇宙现在年龄的10%。

近几年在毫米波，亚毫米波和远红外区域天体物理观测的重要性已稳定地增长。大多数丰富的星际分子在毫米波和亚毫米波段有它们的自旋光谱线，而一些主要的冷光谱线则在亚毫米和远红外区域。从尘埃来的热连续放射事实上可用来探测原始恒星和原始星系。一些射电星系和类星体的频谱在亚毫米波长上看来到达它的最大值，然而在厘米波，亚毫米波和红外区射电观测的扩张遇到几个问题，第一，从1.3厘米开始，H₂O和O₂的几个宽的吸收线使大气愈来愈不透明，直到0.35毫米=350微米大气变成完全不透明。只有在20微米和10微米窗口它再次变成透明。制造毫米波和亚毫米波观测用的大射电望远镜也更困难。

结论

80年代的射电天文学的特点是探索更高的分辨率和寻求扩大毫米、亚毫米及远红外波段的射电天文观测。我们可以预见这个探索在今后十年中将继续，它必然导致在先进的VLBI技术和亚毫米波及远红外天文学方面运用空间平台。去年12月结束观测的红外卫星IRAS将对只有毫米波和红外观测能达到的冷宇宙给出新的见解。一个主要致力于红外光谱仪的同样卫星已被选为欧洲空间机构ESA的主要科学计划。估计研究正在发展成甚长基线或毫米波和远红外观测用的自由飞行的空间望远镜。显然，在我们世纪的最后十年，射电天文将进入空间。

（IEEE Transactions on microwave Theory and Techniques，1984年9期）