射电天文学概论 张红欣 2022.06.10 hzhang18@ustc.edu.cn 1
张红欣 1 2022.06.10 hzhang18@ustc.edu.cn
Sgr A* April 7,2017 银河系中心超大质量黑洞照片 中心阴影区域：黑洞视界以内 首次直接证实中心黑洞的存在 The Nobel Prize in Physics 2020 通过测量恒星 50uas≈100g 运动间接发现 银河中心黑洞 ONobsl Prize合utreach Photo Nobel Frize Outrench Phato F Kannedy dernhand ldwdn Anratte Roger Penrose Reinhard Genzel Andrea Ghez Prize share:1/2 246 8101214 Brightness Temperature(109 K) 3
3 银河系中心超大质量黑洞照片 中心阴影区域: 黑洞视界以内 首次直接证实中心黑洞的存在 通过测量恒星 运动间接发现 银河中心黑洞
Sgr A* April 7,2017 成像波段：1.3mm 为什么不是传统的光学波段？ 分辨率：24微角秒 怎么达到如此高分辨率？ 50uas≈100g 只有一个波段成像 怎么得到“温度”了 2 468101214 Brightness Temperature (109 K) 4
4 成像波段: 1.3 mm 分辨率: 24 微角秒 只有一个波段成像， 怎么得到“温度”了？ 为什么不是传统的光学波段？ 怎么达到如此高分辨率？
(一)宇宙中的射电辐射 5
（一）宇宙中的射电辐射 5
(一)宇宙中的射电辐射 大气透射窗口及 射电辐射的波长范围 0% 50% 100%- 0.1 nm 1 nm 10nm 100'nm 1 um 10 um 100um 1 mm 1cm 10cm 1 m 10'm 100 m 1km Wavelength > 0.3-1毫米 6
（一）宇宙中的射电辐射 大气透射窗口及 射电辐射的波长范围 > 0.3 - 1毫米 6
(一)宇宙中的射电辐射 射电天文的诞生(1932) "Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin" 美国贝尔实验室的工程师央斯基为了探究可能影响横跨大西洋 的无线电电话业务的静电干扰，建造了一座“旋转木马”天线，其 底座可以旋转，以便“倾听”来自天空不同方向的“噪声”。经过 数月观测，央斯基于1932年在频率20.5兆赫（约14.5米波长）上发 现并确认了来自银河系中心的射电辐射，该发现于1933年正式发 表，由此标志着射电天文学的诞生。 为了纪念这位射电天文学先驱，IAU于1973年通过决议，用 “央斯基(jansky)”作为天体射电流量密度的单位。 Jansky's旋转木马天线 20.5MHz(14.6m) Karl Guthe Jansky (1905.10.22-1950.2.14) 英国物理学家Oliver Lodge在 1894年试图探测太阳的射电黑 体辐射，由于接收机不够灵敏 而没探测到
（一）宇宙中的射电辐射 射电天文的诞生(1932 -) 英国物理学家Oliver Lodge在 1894年试图探测太阳的射电黑 体辐射，由于接收机不够灵敏 而没探测到 “Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin ” 7
(一)宇宙中的射电辐射 射电天文的诞生(1932) Proceedings of the Institute of Radio Engineers Volume 21,Number 10 Oclober,1933 TECHNICAL PAPERS ELECTRICAL DISTURBANCES APPARENTLY OF EXTRATERRESTRIAL ORIGIN* Bx KARL G.JANSKY (Bell Telephone Laboratories,Ine.,New York City) Karl Guthe Jansky Summary-Electromagnetic waves of an unknown origin were detected during (1905.10.22-1950.2.14) a series of experiments on atmospherics at high frequencies.Directional records have been taken of these waves for a period of over a year.The data obtained from these 英国物理学家Oliver Lodge在 records show that the horizontal component of the direction of arrival changes ap- 1894年试图探测太阳的射电黑 proximately 360 degrees in about 24 hours in a manner that is accounted for by the daily rotation of the earth.Furthermore the time at which these waves are a maximam 体辐射，由于接收机不够灵敏 and the direction from which they come at that time changes gradually throunhout 而没探测到 the year in a way that is accounted for by the rotation of the earth about thi sun
（一）宇宙中的射电辐射 射电天文的诞生(1932 -) 英国物理学家Oliver Lodge在 1894年试图探测太阳的射电黑 体辐射，由于接收机不够灵敏 而没探测到 “Electrical Disturbances Apparently of Extraterrestrial Origin ” 8
(一)宇宙中的射电辐射 射电波段及其观测的优势 ·射电波段的观测是白天和黑夜都可以开展的 Rayleigh散射oc入4，射电天空在白天也基本是“黑”的 ·厘米及更长波段的观测受天气变化的影响很小 厘米波观测可以在云雾天气开展，分米及米波观测甚至可以在冰雹及雨天开展 ·基本不受星际尘埃吸收、散射以及原子吸收的影响，可以看清宇宙 中最致密、最剧烈的事件（如超大质量黑洞吸积、剧烈星爆恒星形成 活动等) 9
（一）宇宙中的射电辐射 射电波段及其观测的优势 • 射电波段的观测是白天和黑夜都可以开展的 • 厘米及更长波段的观测受天气变化的影响很小 厘米波观测可以在云雾天气开展，分米及米波观测甚至可以在冰雹及雨天开展 • 基本不受星际尘埃吸收、散射以及原子吸收的影响，可以看清宇宙 中最致密、最剧烈的事件(如超大质量黑洞吸积、剧烈星爆恒星形成 活动等) 9
(一)宇宙中的射电辐射 射电天文的部分重要发现 1960,类星体(quasar)):M.Schmidt1963年首次获得一个类星体(3C273,z=0.158)的光学谱 线红移。被认为是对“静态宇宙假说”的最后一击。 1951,中性氢21cm谱线：Harold Ewen和Edward Purcell。首条被探测到的射电发射谱线 1964,宇宙微波背景辐射(CMB):贝尔实验室的A.Penzias和R.Wilson。为宇宙大爆炸理 论提供了最强的观测证据。1978年诺贝尔物理学奖。COBE卫星发现CMB具有黑体辐 射的形式及各向异性，J,Mather和G.Smoot因此获得2006诺贝尔物理学奖。 1963,星际分子：OH(1963)、NH3和H2O(1968)、CO(1970)等。 1967,脉冲星(pulsar:Jocelyn Belli和A.Hewish.在波长3.7m上发现了周期1.33秒的电磁脉 冲信号，1974年诺贝尔物理学奖。R.A.Hulse和JH.Taylot Jt.发现了脉冲星双星，为研究 强引力场提供了重要实验室，获1993诺贝尔物理学奖。 2018,标定宇宙黑暗时代结束的中性氢吸收线：J.D.Bowman等人首次在78MHz处探测 到经历宇宙学红移的中性氢吸收线标定了第一代天体形成于大爆炸后180Myr(有待进 一步证实)。 10
（一）宇宙中的射电辐射 射电天文的部分重要发现 • 1960，类星体(quasar): M. Schmidt 1963年首次获得一个类星体(3C273, z=0.158)的光学谱 线红移。被认为是对“静态宇宙假说”的最后一击。 • 1964，宇宙微波背景辐射(CMB): 贝尔实验室的A. Penzias和R. Wilson。为宇宙大爆炸理 论提供了最强的观测证据。1978年诺贝尔物理学奖。COBE卫星发现CMB具有黑体辐 射的形式及各向异性，J. Mather和G. Smoot因此获得2006诺贝尔物理学奖。 • 1967，脉冲星(pulsar): Jocelyn Bell和A. Hewish在波长3.7m上发现了周期1.33秒的电磁脉 冲信号, 1974年诺贝尔物理学奖。R.A. Hulse和J.H. Taylor Jr.发现了脉冲星双星，为研究 强引力场提供了重要实验室，获1993诺贝尔物理学奖。 • 1963，星际分子: OH(1963)、NH3和H2O(1968)、CO(1970)等。 • 1951，中性氢21cm谱线: Harold Ewen 和 Edward Purcell。首条被探测到的射电发射谱线。 • 2018，标定宇宙黑暗时代结束的中性氢吸收线: J.D. Bowman等人首次在78MHz处探测 到经历宇宙学红移的中性氢吸收线标定了第一代天体形成于大爆炸后180Myr (有待进 一步证实)。 10
(一)宇宙中的射电辐射 宇宙光谱能量分布 -6 CMB FIR OIR X射线及伽马射线 [(1-ZH &-W M)I]3o1 -9 射电 光学 近红外 X -12 远红外 radio -15 0 5 10 15 log[v(GHz)] 11
（一）宇宙中的射电辐射 射电 远红外 光学 近红外 宇宙光谱能量分布 X射线及伽马射线 11