二战结束后，1940年代的美国充斥着雷达设备和能够操作它们的经验丰富的技术人员。这为一门新科学领域——射电天文学的诞生奠定了基础。
1944年，荷兰天文学家Hendrick van de Hulst预测星际氢应该会发出特定波长的电磁辐射。他指出，一个氢原子只包含一个质子和一个电子，它们都具有一种称为自旋的特性。这些粒子可以同向自旋，也可以反向自旋，van de Hulst意识到这两种状态之间一定存在微小的能量差。
因此，任何从高能态翻转到低能态的氢原子都必须发射一个光子，他计算出该光子的波长为21厘米，频率为1420兆赫。这大致与雷达工作的微波波长相同。
1951年，在剑桥哈佛大学工作的天文学家首次探测到这种辐射。由于宇宙中充满了不同密度的氢，绘制这种分布图的能力开启了射电天文学这一新兴领域。
星系自转
此后，天文学家利用它来确定银河系的结构，测量其他星系的自转，并探测大爆炸后早期宇宙中氢的作用。
但与业余爱好者发挥重要作用的普通天文学不同，射电天文学一直只有资金最充足的机构才能涉足。现在，由于Jack Phelps的工作，这种情况有望改变，他公布了一种射电望远镜的设计，任何人都可以花几百美元在自家后院建造一个。
原则上，Phelps的设备很简单。它由一个用于卫星电视接收的1米抛物面天线组成。它将来自天空的模拟无线电信号聚焦，并通过一个低噪声放大器放大信号，一个带通滤波器拒绝感兴趣频率之外的信号，然后通过另一个低噪声放大器。
此时，信号通过运行在Raspberry Pi 4微型计算机上的软件定义无线电进行数字化，该计算机具有8GB内存和1.5 GHz的64位四核处理器，所有这些都由以太网供电电缆供电，以将噪声降至最低。
Pi运行由美国国家科学基金会的Glen Langston开发的定制操作系统，专门用于观测21厘米氢谱线并处理其数据。
Phelps将所有这些设备安装在他家屋顶上，这又引发了另一个问题。普通郊区房屋充满了电子设备，这些设备有时会在射电望远镜旨在检测的频率上发出电磁噪声。
为了减轻这个问题，他将所有信号处理设备存放在用厨房箔纸覆盖并接地到地球的盒子中，以防止电磁干扰的穿透。“箔纸不仅能防止电磁干扰，还能提供隔热，”Phelps说。
二手便宜货
这套设备的总成本不到200-400美元，使用二手设备或改造设备可以显著降低价格。
Phelps计算出天线可以观测的天空区域。“天线的计算波束宽度约为14.78度，”他说。因此，通过扫描天线在许多不同点进行观测，他能够构建出部分天空的图像。
结果令人印象深刻。Phelps将天线指向位于人马座旋臂内的银河系中心，该区域已知存在富含氢的恒星形成云。该仪器在该区域检测到氢峰，Phelps甚至能够观测到微小的红移，表明这些云一定正在远离地球。
这些结果与预期完全一致。“尽管存在潜在的大气挑战，但这些观测结果与人马座旋臂预期结构的一致性支持了数据的准确性，”Phelps说。
他发现了一两个大气噪声问题，但很明显，他的后院射电望远镜是一件非常实用的工具。“海拔越高信号越清晰，海拔越低大气噪声越多，但银河系旋臂的整体结构在所有角度仍然可以检测到，”Phelps总结道。
这是一项有趣的工作，希望能催生大量追随者。接下来需要的是一个业余射电天文学家社区，他们可以开始收集数据，以补充其专业同事的工作，就像数百年来在可见光谱部分工作的业余天文学家所做的那样。
所以，如果你的后院有空间，并且有一个闲置的卫星天线，为什么不尝试一下呢？van de Hulst肯定会印象深刻。
参考文献：银河中性氢结构光谱学和运动学：设计用于21厘米辐射的家用射电望远镜：arxiv.org/abs/2411.00057
