尤里·科瓦廖夫談太空射電望遠鏡及相關發現

許林玉 之 涵/編譯

尤里·科瓦廖夫談太空射電望遠鏡及相關發現

許林玉 之 涵/編譯

這部高達140英尺的望遠鏡位于西弗吉尼亞州格林班克，是美國國家射電天文臺的標志。它是世界上最大的赤道式望遠鏡，目前接收來自俄制Spektr-R衛星的數據

● 數十年來，物理學家一直在尋找黑洞存在的直接證據。2011年，俄羅斯成功發射太空射電望遠鏡Spektr-R（或稱為RadioAstron），用以收集驗證數據。

尤里·科瓦廖夫（YuriKovalev）是位于莫斯科的俄羅斯科學院列別捷夫物理研究所的物理學家，同時也是 RadioAstron太空干涉儀的項目科學家。RadioAstron太空干涉儀利用兩條光柱之間的干涉對遙遠的星系進行精確測量。在莫斯科物理與技術學院主辦的一次媒體邀請會上，他向《美國科學家》雜志特約記者布萊恩·馬洛（BrianMalow）介紹了他的研究。

問：您在天體物理學領域的具體研究方向是什么？

答：我正在研究活動星系核。這類星系類似于我們所在的銀河系，但距離我們有數十億光年，在它們的中心存在特大質量黑洞。我們認為：我們所在的銀河系中心存在黑洞，其質量僅為太陽的幾百萬倍，但它并不是活動的。從某種意義上說，銀河系的中心不活動意味著：沒有太多物質落入其中，沒有從中心噴射的極熱的等離子體。被稱為類星體的活動星系核應該有更大的黑洞，其質量達到太陽的10億倍，并且有一個更大的吸積盤，塵埃和物質會落在中心。在這些物質中，大約有10%以非常狹窄的相對論性噴流的形式向外噴射。

問：這些噴流是像兩根輻條一樣垂直于吸積盤而噴出？

答：是的。我們認為它們大體上是垂直的，而且確定有兩條。在相對論效應的作用下，我們通常只能看到其中的一條，而朝向我們的那一條看起來要亮很多。在我們看來，銀河系中心在某段時間比其他時間更為活躍。

問：在研究活動星系核的工作中，真正令你感興趣的是什么？

答：我所感興趣的是：活動星系核中心發生了什么，這些噴流如何形成和噴射出來。我們認為這些噴流由速度極快的電子組成。這些電子在星系中心加速，然后以近似于光的速度噴出。我們希望能夠弄清楚它們的噴射機制。此外，還有一個問題有待解決：它們是否是真的電子。一些科學家甚至認為，這些物質可能是質子。如果是質子，并且我們通過這一項目對此進行確認，那么這確實是一件很酷的事情；因為加速質子比電子要復雜2000倍，質子的質量是電子的2000倍。

問：在 RadioAstron發射之前，您和您的同事如何研究活動星系核？

答：過去，我利用位于俄羅斯的兩部地面望遠鏡研究活動星系核。我們有世界上最大的射電望遠鏡RATAN-600，其直徑達到600米。后來，我經常使用世界各地（如美國和歐洲）的望遠鏡。當研究共同體推出這個巨大的工具 （我們將其稱作干涉儀）時，對活動星系核的研究必定會成為國際項目。

甚長基線干涉測量（VLBI）的設想是俄羅斯科學家列昂尼德·馬特維恩科（LeonidMatveenko）、尼古拉·卡爾達舍夫（NikolaiKardashev）和根納季·索羅米特斯基（GennadySholomitskii）共同提出的。VLBI利用來自多部射電望遠鏡的數據對源自類星體等天文射電源的信號進行分析。像大多數情況一樣，首次測量由美國科學家完成，這也是美俄攜手完成的首批洲際實驗之一。美國科學家建議列別捷夫物理研究所開展一項合作實驗，使用位于西弗吉尼亞州格林班克和莫斯科地區南部小鎮普希諾的兩部望遠鏡。蘇聯方面回復稱這是一個好主意，但建議我們利用另一部位于克里米亞的望遠鏡。也正因如此，你才得以來到這里。

當時正值冷戰中期，是真正的困難時期，而美方人員剛剛過來。但令人鼓舞的是：他們發現俄羅斯人在很多方面都與美國人相同。后來，人們才了解到：當時為什么不支持在美國和普希諾之間開展實驗，那是因為當你進行實驗時，能夠測量出望遠鏡所在的位置，精度達到1厘米左右。而在冷戰中期，要在莫斯科附近獲得精度達到1厘米的參考點是絕對不可能的。實驗不得不轉至克里米亞進行。即使在這段非常困難的時期，天文學和天體物理學仍然是我們共同探討的為數不多的話題之一。由此看來，我們現在討論的所有話題都源自多年前的冷戰時期。

暑假里，我決定去河坡挖砂礓。父母很驚訝，但旋即明白了。祖父不干了：天太熱，人小，挖那干什么?。俊蔽业年駝艃荷蟻砹?，一定要去。母親拿來一頂草帽，灌了一壺涼水，給我帶上，我拿了一把釗鉤，提著提籃，雄糾糾氣昂昂地奔赴“戰場”。

問：您的項目是如何誕生的？

答：RadioAstron最初構想于蘇聯時期，是當時最大的望遠鏡，它將無線衛星與眾多地面天文臺聯結為一體。20世紀80年代早期，蘇聯共產黨總書記勃列日涅夫發布了它的第一份官方聲明。顯然，該項目與蘇聯一道經歷了所有的困難時期。它于20世紀90年代開始實施，并且幾乎已經準備進入太空，但后來隨同這個國家一起分崩離析。之后，我們不得不從頭再來，并在2004開始重新啟動。2011年，我們用一顆俄羅斯-烏克蘭聯合制造的火箭在拜科努爾將其發射，并從2012年初開始運行。它的運行基于所謂的天空開放政策，所以任何人都可以申請和我們一起觀測，包括我們的美國同事，而他們也的確這樣做了。

帶有一根折疊主天線的Spektr-R發射前在俄羅斯希姆基的拉沃契金研究生產聯合體接受檢測。它是俄羅斯在21世紀第一艘進入軌道的天體物理學宇宙飛船

問：發射和安裝該衛星的過程是怎樣的？

答：我們制作了一朵由27片花瓣組成的“花”，它們被一起放在地面上，剛好與直徑為3米的火箭吻合。在發射5天之后，衛星的花瓣展開，但仍然存在不少問題。

發射之后，拉沃契金研究生產聯合體命令宇宙飛船（即望遠鏡）展開。望遠鏡基座上的圓環開始旋轉和拉開這些花瓣。10分鐘后圓環停止旋轉，但我們在地面上沒有得到來自探測器的確認花瓣已經成功展開的信息。嘗試幾個小時后仍然沒有什么改變。后來，拉沃契金的研究人員估計和認識到它只展開了幾厘米。這意味著這項任務已經結束。幾厘米是不夠的，因為我們要構建一個精度達到1毫米的拋物線結構。

他們意識到在望遠鏡基座中可能存在溫度梯度，于是讓基座旋轉，這樣太陽就能照射在望遠鏡的基座上，從而滿足基座中殘留的溫度梯度要求。一天后，他們回來進行了又一次遙測。他們再次命令望遠鏡展開，這一次成功了。我們從所有傳感器上得到了確認信息。之后它被固定下來，一直工作至今。

問：那一定是一個激動人心的時刻。您當時在現場嗎？

答：我當時正在拉沃契金直播的視頻會議上觀看。那是2011年7月的一個星期五，對此我永生難忘。

問：RadioAstron的任務是什么？

2011年7月18日，俄羅斯-烏克蘭聯合制造的天頂-3F火箭搭載Spektr-R衛星在哈薩克斯坦拜科努爾航天發射場發射

答：我們正在研究太空中不同種類的物體。首先是活動星系核或類星體，其次是脈沖星，即銀河系中死亡的中子星。我們利用它們來研究銀河系中的星際介質和無線電波的散射。第三種是所謂的脈澤，這些是水蒸氣形成的云，存在于銀河系中誕生行星和恒星的區域，也見于其他星系的吸積盤中。除此之外，還有一個對我們來說非常獨特、非常重要的物體，它位于我們所在星系的中心，擁有屬于自己的故事。

我們還嘗試做一些關于引力天文學方面的研究，因為我們在衛星上搭載了一個非常精確的原子鐘。每隔9天（繞行橢圓軌道一圈的時間）衛星上的時鐘就要通過一次與地面時鐘不同的引力勢。由于時間會隨觀測者離引力質量的距離而變化，所以，衛星上的時鐘會快慢不同。愛因斯坦的廣義相對論對時鐘如何變化進行了預測，所以，我們可以通過比較其預測結果和我們在衛星上實際看到的情況來檢驗這一理論。

問：您對活動星系核有怎樣的了解？

答：關于類星體，我們認為：我們非常了解其中的噴流如何發射非常明亮的輻射的理論。根據該理論的預測，這些類星體的內核的亮度無法超越某一水平。例如，如果你從中心的超級黑洞及其周圍將一滴熱的等離子體（即高能電子）注入噴流，其噴射就會非常明亮。然而，由于該過程會降至低能態，這些電子很快就失去能量。

在所謂的逆康普頓過程中，電子發射光子，由于電子發射許多光子，所以光子會擊中其他光子。電子擊中光子的概率也較高，導致電子失去能量。根據預測，類星體的亮度會因為這類碰撞而無法超過某一限度，這一結果被稱為康普頓災難。

我們已經對這一理論預測進行了檢驗，并證明它實際上是錯誤的。我們發現類星體的亮度至少10倍于該理論預測的亮度。這的確令人興奮，因為在科學家的生活中，沒有什么比證明理論錯了更有趣。

問：人們有時不太欣賞科學家希望理論被推翻的想法。

答：讓我來告訴你吧，理論家對此是喜聞樂見。這是科學工作的方式，科學通過證明某個理論是錯誤而運行。通過證明這一點，理論才得以發展和理解周圍的自然。其中的一種解釋是：這些都不是相對論性電子而是相對論性質子。由于質子比電子重2000倍，所以其亮度的上限要高得多。從原理上說，如果這些是相對論性質子，我們的問題就將迎刃而解。但還有一個更大的問題——如何使它們加速？我們不知道如何使質子加速，使其變成速度與光速非常接近的相對論性質子。

問：您實現了任務的預期目標嗎？

答：我們認為我們實現了此項任務的主要科學目標。但是，大約在一個月前，我們收集到了這項任務的最后一輪建議，而且建議的數量有所增加。

需求甚至比之前更大，因為我們的初步結果已經證明在極端分辨率情況下宇宙研究的潛力。RadioAstron已經證明可用于眾多不同的應用領域。因此，俄羅斯聯邦航天局已經將該任務的期限正式延長至2018年底。

問：這項任務已經達到了5年的預期壽命，但還會延長一段時間。下一步做什么？

答：我們確實希望能夠穿過星際的迷霧見到銀河系的中心，這是我們至今尚未達到的成就。我們將使用事件地平線望遠鏡（EHT）一起工作。EHT是一部陸基望遠鏡，自2012年起開始投入使用，有望在今年晚些時候獲取第一張銀河系中心的圖片。

考慮到更長遠的未來，我們目前正在為毫米波天文臺(Millimetronobservatory)制定任務計劃，該天文臺可檢測毫米和亞毫米波段的信號。該天文臺類似于活躍于2009年至2013年間的赫歇爾空間天文臺 (HerschelSpaceObservatory)，其分辨率會比RadioAstron更好。

宇宙中的一切都將會更加透明，會有更少的散射和吸收。這將幫助我們認識銀河系中心和其他星系中心的中心超大質量黑洞，如果屆時人類仍未觀測到的話。

[資料來源：AmericanScientist][責任編輯：岳 峰]