## 电磁波谱如何开阔了我们对宇宙的视野

我们对电磁波谱的理解可以追溯到艾萨克牛顿，但天文学家仍在寻找运用它的新方法。天体物理学家艾玛查普曼探索了这些不可见的波能向我们揭示多少关于宇宙的信息——以及它们是否可能向我们表明我们并不孤单

平方公里阵列天文台（SKAO）的望远镜

平方公里阵列射电望远镜（SKAO）的望远镜

平方公里阵列天文台

我第一次接触不可见光是在小时候，当时我觉得那是魔法。收音机摆满了我童年家中的每个房间：厨房、卧室，甚至走廊。我会慢慢转动旧收音机的调谐旋钮，听着音乐和声音从静电噪音中出现，然后在我切换电波时又再次消失。早在我明白自己是在调谐电磁波谱的一部分之前，我就感受到了感知眼睛看不见的东西的奇妙。

无线电波是电磁波谱中波长最长、能量最低的光，能够在基本不受阻碍的情况下传播极远的距离，并且相对容易穿过地球大气层。这使得无线电波成为地球上通信的有力媒介——我小时候就有过这样的体验——同时它们也是来自遥远时空的理想信使。多年后，随着我的兴趣转向宇宙学，最终用射电望远镜研究宇宙最初的恒星和星系，这感觉很合适。

我们今天所了解的电磁波谱是数百年科学发现的成果，研究人员逐渐发现宇宙的范围远远超出了人类视觉的极限。最初，艾萨克牛顿用玻璃棱镜证明白光可以分解成从红到紫的彩色光谱。后来，天文学家威廉赫歇尔再次使用棱镜发现了红外线——他测量了不同颜色光的温度，注意到在光谱红色端之外的区域，温度计读数更高。到19世纪末，电磁学和实验室技术的进步已经揭示了无线电波、微波、X射线和伽马射线，完善了我们对电磁波谱的现代认知。

让无形之物变得可见

光学天文学和文明本身一样古老，它源于一个简单的事实——我们来到这个世界时就已经具备了看见阳光或星光的能力。光谱的其他区域则需要额外的工具：用于无线电波和微波的天线与碟形天线，以及用于X射线和红外光的专用探测器。我们可以把这些子类别中的每一种都看作一种语言，为了理解宇宙，我们需要有能力将它们转换为我们的眼睛更自然理解的光，或者（就像家用收音机那样）转换为我们的耳朵能欣赏的声音。只有这样，我们才能获得一个包含未被看见的信息和隐藏历史的完整宇宙。

我们需要完整的光谱来全面探索宇宙。例如，紫外线可以追踪木星伽利略卫星中最小的一颗——木卫二表面喷发的水汽羽流。包裹这颗巨行星的强磁场与绕其运行的卫星大气相互作用，产生在紫外波段明亮发光的极光。当羽流中的水蒸气上升到大气中时，会暂时改变极光的亮度。观测这一现象能让天文学家推断出木卫二冰壳下可能宜居的海洋中喷发物质的存在及其成分。

合成图像显示，木星的冰卫星木卫二上同一位置相隔两年疑似有物质羽流喷发。美国国家航空航天局、欧洲空间局、空间望远镜科学研究所的W.Sparks及美国地质调查局天体地质科学中心（提供）

合成图像显示，木星的冰卫星木卫二上同一位置相隔两年出现了一股疑似物质羽流喷发。美国国家航空航天局、欧洲空间局、W斯帕克斯（空间望远镜科学研究所）以及美国地质调查局天体地质科学中心。

美国国家航空航天局、欧洲空间局、W斯帕克斯（太空望远镜科学研究所）以及美国地质调查局天体地质学科学中心

对于红外线观测，我们有詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST），它位于距离地球150万公里处，通过一块网球场大小的遮阳板遮挡阳光。凭借有史以来最清晰、最低温的宇宙观测视野，詹姆斯韦伯太空望远镜一直在改写我们对首批恒星和星系形成方式的原有认知。

随着宇宙膨胀，早期星系发出的光会移向更长的红外波长——也就是向光谱的红端移动，因此我们称之为红移——而JWST能巧妙地捕捉到这些光。通过一种简单的转换方式，将红外波长用光学颜色标注出来，就像完成数字填色画一样，我们能看到宇宙大爆炸后仅数亿年时星系的样子。这当然很迷人，但存在一个问题：许多这样的星系看起来更像中年而非年轻——它们的规模太大了，无法用我们之前所理解的恒星形成和星系演化理论来解释。它们是如何成长得如此之快的？

为了回答这个问题，天文学家正在收集那些已被移至更长波长的古老光线——即传播得更远、时间更久的无线电波。总部位于英国焦德雷尔班克天文台的平方公里阵列（SKA）将部分由超过10万个天线组成，这些天线分布在西澳大利亚的内陆地区，构成一个巨大的射电天文台，能够捕捉到大爆炸后仅几千万年时发出的最微弱的信号。通过探测原始宇宙中旋转的氢气发出的微弱信号，SKA旨在解读来自最早的恒星群体和新生黑洞的信息。不过，这只是SKA的科学应用之一。它将观测多种天体现象，例如绘制银河系最遥远的旋臂，以及监听外星智能生命的迹象。

搜寻地外生命（SETI）是一个特别令我着迷的研究领域，因为它完美展现了不同波长观测的互补性。借助凌日系外行星勘测卫星（TESS）这类光学望远镜，我们正在编目数千颗太阳系外的行星——通过测量行星从其绕转恒星前方经过时，我们观测到的微小亮度下降来实现。随后，利用詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）这类红外望远镜，我们可以测定系外行星大气的成分，并标记出可能宜居的行星。最后，通过射电望远镜，我们能够瞄准那些有希望孕育生命的候选行星名单，监听地外信息：无论是有意发出的问候，还是像电视广播这类无意泄漏的无线电通信。毕竟，物理定律在系外行星上与在地球上同样适用，这让无线电成为最显而易见的通信媒介。或许有一天，当我们捕捉来自其他恒星系统的无线电波时，一个全然陌生的声音会从静电噪声中浮现。

我们生来只精通光的一种语言，但宇宙却是深度多语言的。电磁波谱是一块罗塞塔石碑，让我们的望远镜能够用无形文字书写的未知故事。当把这些故事放在一起解读时，它们让我们得以了解一个远比仅凭肉眼所见更丰富的宇宙。

艾玛查普曼是英国诺丁汉大学的天体物理学家，著有《无线电宇宙：足不出户探索太空》（约翰默里出版社出版）。

宇宙考古学：揭开宇宙的历史 宇宙的大部分区域无法用普通望远镜观测到。相反，它通过无线电波展现自身：这些长而不可见的信号在数十亿年的宇宙时间里几乎不受干扰地传播。通过探测这些微弱的辐射，天文学家能够揭示黑洞和星系的行为，甚至可以回溯时间，研究我们宇宙神秘的早期篇章——第一代恒星的时代。天文学家艾玛查普曼揭示了无线电观测如何帮助科学家解决一些宇宙学中最重大的问题，从暗物质和暗能量的本质，到在最极端条件下检验爱因斯坦的广义相对论。随着平方公里阵列等强大的新型天文台即将投入使用，天文学家正开始挖掘宇宙历史最深层的信息，揭示书写在天空中的隐藏无线电宇宙。

2024年5月22日

宇宙的大部分区域无法用普通望远镜观测到。相反，它通过无线电波展现自身——这些长而不可见的信号几乎能在数十亿年的宇宙时间里不受干扰地传播。通过探测这些微弱的辐射，天文学家可以揭示黑洞和星系的行为，甚至能回溯时间，研究宇宙神秘的早期篇章——第一代恒星的时代。天文学家艾玛查普曼揭示了无线电观测如何帮助科学家解决宇宙学中一些最重大的问题，从暗物质和暗能量的本质，到在最极端条件下检验爱因斯坦的广义相对论。随着像平方公里阵列这样强大的新型天文台即将投入使用，天文学家正开始挖掘宇宙历史最深层的信息，揭示写在天空中的隐藏无线电宇宙。

相关知识

宇宙是囊括所有物质、能量、时间与空间的整体。它起源于约138亿年前的大爆炸，持续膨胀演化。其中包含无数星系、恒星、行星，还有暗物质、暗能量等未知成分。人类通过观测与理论探索，试图解开它的起源、结构与未来之谜，其广阔神秘的本质始终吸引着我们不断追寻答案。

BY: Emma Chapman

FY: AI

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