用“无线电”眼睛仰望星空

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用“无线电”眼睛仰望星空
                               
                                 


通过GLEAM揭示的电磁波下的银河系中心。红色代表低频，绿色代表中频，而蓝色代表高频。每一个点是一个星系。通过利用电磁波，GLEAM观测到大约30万个星系。（图片来源：Natasha Hurley-Walker，科廷/ICRAR，以及GLEAM团队）

晴朗的夜空中，我们用肉眼看到的是一个点缀着千万颗星星的宇宙，但是如若人类的眼睛能看见无线电波的话，宇宙瞧起来又会是什么模样呢？远在西澳大利亚内陆，一个射电望远镜正在使用彩色无线电波绘制的宇宙图像来实现这一目标。
利用这个叫做默奇森广角阵列（Murchison Widefield Array , MWA）的设备，在过去的三年中，天文学家已经进行了一次有史以来最大规模的巡天观测，其面积覆盖了南半球天空的90%。
这就是银河系及外银河系全天MWA观测，或简称为GLEAM。如果你在默奇森郡露营，而且你的眼睛能看得见无线电，那么这个来自于GLEAM的视频就可能是你看到的夜空的样子。
人类肉眼和光学望远镜仅仅能够观测到电磁波频谱中的可见光部分，这是一个相当宽的频段中很窄的一部分。夜空的光学成像只能够显示出银河系中我们熟悉的恒星，以及银河系平面（又称银道面）上由尘埃遮挡视线而成的暗区。然而，GLEAM给出的无线电频段视图却向我们展示了一副完全不同的景象。通过GLEAM，我们看到银河闪耀着由高能电子释放出的同步辐射。这些高能电子围绕着磁场做螺旋运动，其规模跨越数千光年。

窥探宇宙
我们在GLEAM上看到的色彩并不是假的。红色代表最低频的电磁波（大概相当于你的汽车收音机的调频广播带宽），蓝色是最高频的电磁波（约为你的电视接收机接收到的数字信号频段），而绿色则表示介于两者之间的无线电频率。通过色彩表示的电磁波视图使得天文学家们能够观测到我们的宇宙中正在发生的各种不同的物理过程。比如，在银道面，最明亮的恒星周围的电离等离子体区域在高频段亮度较高，而在低频段较暗。于是，与无处不在的红色同步辐射不同，上述区域呈蓝色。
此外，银河中还能看到一些肥皂泡一样的形状，其标志着古老的超新星爆炸的遗迹所在。巨大质量的恒星耗尽了氢燃料而内爆坍缩，随之向外爆炸，形成一个辐射等离子体外壳在空间上扩张。
以前，天文学家们已找到的超新星遗迹远远不足以解释在银河系中产生同步辐射的高能电子的数量。幸运的是，GLEAM完美地适用于探测这些失踪的遗迹，解决了一个宇宙之谜。


从左到右分别是可见光下的银河系和通过GLEAM揭示的电磁波下的银河系。（图片来源：科廷大学Natasha Hurley-Walker, 国际射电天文学研究中心）

上图中，蓝色框图显示了远古超新星的壳状遗迹，橙色框图展示了明亮恒星周围的电离区，紫色框图显示了来自附近半人马座星系的射电喷流。所有这些特征在可见光视图中都无法检测的。图像靠近右下角的部分是大麦哲伦星云，这是距离我们最近的星系。与我们的银河系平面如出一辙，大麦哲伦星云也放射着同步辐射无线电波。
但是，这次观测并不仅仅在我们的银河系有新发现。天空中散布着成千上万个明亮的小点，它们并不是恒星，而是遥远的射电星系。它们是与我们有几百万到几十亿光年之遥的星系中心的超大质量的黑洞。这些黑洞吸积物质，摧毁恒星。它们强大的磁场将吸收的物质转变为巨大的等离子体流并将其以接近光速的速度喷射进太空。
GLEAM所检测的正是该等离子体，天文学家能够根据无线电波的颜色来判断等离子体流的形成时间：蓝色表示方兴未艾，而红色则表示已近尾声。
挑战性观点能取得今天的成果绝非易事。为了确保其所处环境为无线电寂静，默奇森广角阵列距离最近的杰拉尔顿镇也超过了300公里远。
这个阵列由数千个像电视天线那样的无线电天线构成，看起来有点像一大群的机械蜘蛛。该阵列观测着介于调频广播的最低端（72MHz）到数字电视频段最高端（300MHz）之间的低频无线电波。


图中所示仅为默奇森广角阵列的1%，该图显示了用于接收天文信号的平铺的偶极，以及用于汇聚信号和控制设备指向的波束形成器。 （照片来源：MWA协作组）

为了构建该巡天观测，由20位来自澳大利亚和新西兰的天文学家组成的团队已经兢兢业业地整合了超过45,000张的天空图像。每当遇到这些数据带来的独特挑战，他们就发明新的算法来解决。
例如，虽然MWA的宽视野使得巡天观测成为可能，但是地球的电离层却扭曲了观测到的每一个信号。有时候甚至会形成一个巨大的等离子管道从而使得MWA一整夜无法工作。
虽然宽广的频率覆盖范围给予了天文学家一个科学金矿，但是它也使得资源的发现和分析越发困难。当然，进行巡天观测绝非小事一桩，这意味着接近半个PB的数据量以及尖端超级计算机上数百万个CPU小时。
本周，第一批数据发表在了皇家天文学会月刊上。该批数据包括了超过30万个射电星系，图像跨越25000平方度。以上数据全部免费向世界开放。
在这些图像之中仍有更多的天文奇观尚待发现，例如星云团（宇宙中最大的结构之一）之间的碰撞、神秘莫测的无线电瞬变源、以及需要很多双眼睛在数据中搜寻才能找到的其他意外发现。
GLEAM-o-scope是开始你的探索旅程的绝佳起点，作为一个易于使用的交互界面，它让世界上的每一个人都能用“无线电”眼睛仰望天空。
翻译：杨柳 审校：郭昂
https://theconversation.com/what-the-universe-looks-like-when-viewed-with-radio-eyes-66381