1937 年，格罗特·雷伯 (Grote Reber) 是一名业余无线电爱好者，他在自家院子里搭建了一个近 10 米宽的金属板浅碗，碗放在可调节的脚手架上，顶部是一座由细长塔组成的开放式金字塔，人们只能想象格罗特·雷伯的邻居们的想法。他的邻居们几乎不知道他们正在见证一种看待宇宙的新方式的诞生。
雷伯正在建造世界上第一台专用射电望远镜。与使用透镜或镜子聚焦可见光的传统望远镜不同，这种装置使用金属和电路来收集星际无线电波、电磁辐射的低频波纹。雷伯用他自制的设备制作了第一张用射电敏感眼看到的天空图，并开启了射电天文学领域。
本文来自庆祝上个世纪科学上一些最大进步的系列文章。有关天文学史的更多信息，请访问科学世纪：其他世界。
“射电天文学与光学天文学一样是我们理解宇宙的基础，”西弗吉尼亚州格林班克天文台站点主任凯伦·奥尼尔说。“如果我们想了解宇宙，我们确实需要确保我们有尽可能多的不同类型的眼睛来观察宇宙。”
当天文学家谈论来自太空的无线电波时，他们（不一定）指的是外星广播。更常见的是，他们对低能光感兴趣，例如，当分子改变旋转或电子在磁场中旋转时，就会出现低能光。第一次收听星际无线电波就像几个世纪前伽利略用改良的望远镜瞄准星星一样——我们可以看到天空中我们以前从未见过的东西。
如今，射电天文学已成为一项全球性事业。超过 100 座射电望远镜遍布全球，从低矮的蜘蛛天线到长达数百米的超大版本雷伯碟形天线。这些天空之眼改变了游戏规则，以至于不少于三项诺贝尔奖都以它们为中心。
对于一个偶然开始的领域来说，这还算不错。
20 世纪 30 年代初，贝尔电话实验室一位名叫 Karl Jansky 的工程师正在追踪干扰无线通信的无线电波源。他偶然发现有人马座某处发出嘶嘶声，方向是银河系中心。
“来自星际空间的无线电辐射这一基本发现混淆了理论，”同样来自格林银行的天文学家杰伊·洛克曼说。“没有已知的方法可以做到这一点。”
贝尔实验室让扬斯基转向其他更现实的追求。但作为无线电爱好者，雷伯读到了扬斯基的发现并想了解更多。以前没有人建造过射电望远镜，所以雷伯自己想出了办法，他的设计基于光学望远镜中聚焦可见光的原理。他改进了扬斯基的天线——由旋转木栈桥支撑的一堆金属管——并制作了一个抛物面金属盘，用于将传入的无线电波聚焦到一个点，放大器在该点上增强微弱的信号。整个装置位于一个倾斜的木质底座上，让他可以通过上下摆动望远镜来扫描天空。如今，世界各地的射电望远镜都采用相同的基本设计。
近十年来——部分由于大萧条和第二次世界大战——雷伯基本上是孤独的。直到战后，这一领域才蓬勃发展，一批科学家在设计雷达系统时掌握了新的无线电专业知识。从那时起，惊喜就接踵而至。
“星际分子的发现是一件大事，”索科罗新墨西哥理工学院的天文学家丽莎·杨说。射电望远镜非常适合观察分子所在的稠密、寒冷的云层，并感知它们失去旋转能量时发出的辐射。如今，已识别的星际分子列表包括许多复杂的有机物，其中包括一些被认为是生命前体的有机物。
射电望远镜还发现了以前无法想象的物体。类星体是遥远星系的炽热核心，由巨大的黑洞提供动力，首次出现在 20 世纪 50 年代末的详细射电地图中。脉冲星是死亡恒星的超致密旋转核心，它于 1967 年广为人知，当时乔斯林·贝尔·伯内尔 (Jocelyn Bell Burnell) 注意到她帮助建造的无线电天线阵列每 1.3 秒就会从深空收到稳定的嘟嘟……嘟嘟……嘟嘟声。（1974 年诺贝尔物理学奖表彰这一发现时，她被忽视了——她的导师得到了认可。但 2018 年，她获得了基础物理学特别突破奖，获得了荣誉。）
洛克曼说，脉冲星“不仅因为其本身的发现而有趣”。它们“现在被用来测试广义相对论和探测引力波。”这是因为，当脉冲星的超精确射电节拍到达地球时，任何推动脉冲星的东西（比如时空中经过的涟漪）都会发生变化。20 世纪 90 年代初，脉冲星的这种时间变化导致首次确认发现了太阳系外的行星。
最近，主要来自其他星系的短暂射电能量爆发引起了天文学家的注意。这些“快速射电暴”于 2007 年被发现，其原因仍然未知。但它们已经成为探索星系之间物质的有用探测器。这些喷发发出的光编码了在飞往地球的途中遇到的原子的特征，使天文学家能够追踪到许多他们认为应该存在于宇宙中但尚未发现的物质。加州大学伯克利分校的天文学家丹·韦蒂默 (Dan Werthimer) 表示：“正是它让我们能够称量宇宙并了解缺失物质的位置。”
1964 年，无线电天线为当时刚刚起步的大爆炸理论提供了最大的推动力。贝尔实验室的工程师阿诺·彭齐亚斯 (Arno Penzias) 和罗伯特·威尔逊 (Robert Wilson) 正在将房子大小的喇叭状天线重新用于射电天文学，但他们却被持续不断的嘶嘶声所困扰。罪魁祸首是渗透到整个太空的辐射，这是宇宙比现在更热、更致密的时代留下的。这种“宇宙微波背景”因其最强的相对较高频率而得名，仍然是天文学家了解早期宇宙的最清晰窗口。
射电望远镜还有另一个超能力。跨越各大洲连接在一起的多个无线电天线可以充当一个巨大的天文台，能够比任何一个单独的天线看到更精细的细节。建造一个与地球一样宽的射电眼——视界望远镜——拍摄出了第一张黑洞照片。
“并不是说任何人都需要证明 [黑洞] 的存在，”杨说，“但实际上能够看到它是一件非常奇妙的事情。”
发现的清单还在继续：来自早期宇宙的星系完全被尘埃笼罩，因此不发出星光，但在射电图像中仍然发出明亮的光。围绕年轻恒星的气体和尘埃环提供了有关行星形成的细节。关于太阳系小行星和行星的情报可以通过其表面反射的无线电波来收集。
当然，还有寻找外星智慧生物（SETI）。“广播可能是我们最有可能回答这个问题的地方：‘我们孤独吗？’”韦蒂默说。
这种情绪可以追溯到一个多世纪前。1899 年，发明家尼古拉·特斯拉接收到了他认为来自另一个星球的人们的无线电信号。1924 年 8 月，美国命令所有无线电发射机每小时静默 5 分钟，持续 36 个小时，以监听来自火星的信号，因为地球与这颗红色星球的距离相对较近。1960 年，天文学家弗兰克·德雷克 (Frank Drake) 将格林班克 (Green Bank) 最初的射电望远镜对准鲸鱼座 T 星和波江座 Epsilon 星，以防万一那里有人进行广播，这一领域才正式启动。
虽然 SETI 经历了起起落落，但“有一种复兴，”韦蒂默说。“有很多新的年轻人进入 SETI ……并且有新的资金。”2015 年，企业家尤里·米尔纳 (Yuri Milner) 承诺在 10 年内投入 1 亿美元用于寻找宇宙中的其他居民。
尽管巨大的阿雷西博天文台（直径 305 米，是其一生中大部分时间最大的单碟射电望远镜）在 2020 年的倒塌是悲惨且出人意料的，但射电天文学家仍在建造新的设施。平方公里阵列将于 2020 年代末完工，将连接澳大利亚和南非的小型无线电天线和天线，它将探测宇宙膨胀的加速度、寻找生命迹象并探索宇宙黎明时的状况。“我们将看到宇宙中第一个结构的特征，形成第一个星系和恒星，”韦蒂默说。
但如果射电天文学的历史有任何指导意义的话，那么未来最引人注目的发现将是没有人想到去寻找的东西。韦蒂默指出，这个领域的很多事情都充满了偶然性。甚至射电天文学作为一个领域也是偶然开始的。“如果你只是建造一些东西来观察以前没有人看过的地方，”他说，“你就会有有趣的发现。”
