如果你想知道暗物质是什么，你并不孤单。天文学家也不知道。但他们已经确定，这种无形的物质必须比他们能看到的星星和星云更为丰富。他们通过观察这些令人困惑的暗物质的引力效应来推测这一点，发起了长达数十年的运动以理解其本质。最近我了解到，可以使用小型无线电望远镜，如去年在这些页面上介绍的Discovery Dish，来感知暗物质的存在。关键在于知道要收集什么观测数据以及如何分析它们。接下来我会概述这些内容，但首先让我描述一下为这个项目组装的自制无线电望远镜。这是一个金字塔喇叭天线，类似于1951年首次用于探测太空中中性氢星际云的1,420.4兆赫无线电辐射的喇叭天线。这些辐射是确认暗物质存在的关键，因为这样的云遍布整个银河系，它们的运动反映了银河不同部分正在发生的情况。我使用在线计算器帮助我设计天线，采用了我知道可以用一卷价钱为25美元的10英尺x2英尺的屋顶闪光材料和一个空的加仑油漆稀释剂罐达成的尺寸。（下次，我会直接买一个空的F型罐。）喇叭天线是用胶带、一个空的油漆罐和一卷金属屋顶闪光材料制成的[底行]。信号通过低噪声放大器[顶部中间]接收，并传递给软件定义无线电接收器[顶部左侧]。天线的构造与我在2019年这些页面中描述的稍小的喇叭天线类似。尽管如此，我的新天线更大，因为我需要更好的角分辨率，让我能够扫描更小的天空区域。为了接收星际氢的辐射，我使用了Nooelec的45美元SAWBird+ H1，这是一种将两个低噪声放大器与一个以1,420MHz为中心的驻波声滤波器结合的设备，配合RTL-SDR V4接收器。所以，组装需要测量氢云信号的硬件并不太难。但你如何从这些信号中提取暗物质的特征呢？答案是利用这些测量来评估位于与银河系中心不同距离的云在轨道上移动的速度。你只需证明物质绕银河中心的轨道速度不会随着距离的增加而下降。你可能会认为这些云围绕银河中心旋转的方式与行星绕太阳或卫星绕地球的方式相同，靠近的物体的轨道速度比远离的物体快。例如，水星以每秒47.4公里的速度围绕太阳运行，而海王星则以悠闲的每秒5.4公里的速度巡航。银河系包含围绕一个超大质量黑洞的恒星集中区。因此乍看之下，银河系的质量似乎集中在中心附近。如果情况真是如此，恒星和其他物质的云在距离中心增加时应该会更慢地轨道。如果银河系中存在大量的无形物质，你不应该期望轨道速度以这种方式减小。如何测量星际云的速度？因此，要探测暗物质，你只需证明物质围绕银河中心的轨道速度不随距离下降。而无线电观测是最简单的方法，因为你可以通过测量氢云的信号由于多普勒效应的偏移来评估速度。通过将你的无线电望远镜指向天空的不同部分，你可以接收到来自位于银河中心不同距离的云的辐射。这些辐射从1,420MHz起频率的偏移反映了那些云相对于地球的接近或远离的速度。你需要从银河面上进行测量，在0到90度的银河经度之间（0度的银河经度指向银河中心，180度则直接指向远离它的方向）。应用一些高中三角学，你可以将这些数据转换为绕银河中心的轨道速度，这种技术称为切点法。在任何一组云中，从地球观察到的速度最高的那一个将是绕银河运转时离切点最近的那一个。这允许通过三角法确定其距离银河中心[上图]。底部图显示了天文学界对银河中心附近速度的测量结果[黑色]，作者的结果以红色填充和空心圆点绘制。对准Inmarsat地球静止卫星的实验显示，我的小型无线电望远镜的角分辨率大约为20度。