1959年，Franklin在介绍木星射电的发现过程时，写道 “Our identification of Jupiter as a radio source is not based directly on reasoning, but more on luck.”。科学研究中，类似“无心插柳柳成荫”的故事有很多，告诉我们重大发现在本质上都是无法被计划的！许多研究，特别是从0到1的那种，大都是探索过程中的偶然发现。射电天文从诞生到发展，同样充斥着此类重大发现，如银河系中心射电辐射、脉冲星、太阳射电等，以及此处要介绍的行星射电。

   木星是最强大的、也是最早观测到的太阳系行星射电源。木星射电的发现有很大偶然性。1955年，位于美国马里兰州、由华盛顿卡耐基研究所建造的Mills Cross相控阵仍处于试运行状态。该天线阵主要目的是开展22.2 MHz射电巡天观测，由总长度2048英尺（~624米）的两列天线构成，各列含64个等距排列的偶极子天线，呈X形（见下图）。该天线阵波瓣大小为1.6 X 2.4度，可通过相控进行扫描观测。

图. （左）用以发现木星射电现象的Mills Cross天线阵照片；（右）2005年4月立于美国Maryland州的路牌，标示此处为发现木星射电现象的站址。（取自网页radiojove.gsfc.nasa.gov）

   1955年，基于该阵列，Burke and Franklin发现了木星十米波射电现象。根据发现者之一Franklin的记录，当时他和Burke正在测试该天线系统，为此需反复扫描蟹状星云（Crab Nebula）附近天区。期间，曾在3-4周内将波瓣由Crab Nebula向南偏转一定角度。根据Franklin的介绍，正是这一无心偏转导致了木星射电信号的发现“Another curious bit of chance shows up when we reviewed our arbitrary southward redirection of the pencil beam, we were inadvertently following Jupiter southward as well as if we had planned it! (Incidentally, we never did learn the cause of the rise and fall which started all this.)”。意思是说，如没有上述无意南偏，则不太可能有后面的发现。

   为参加当年4月份AAS会议，两位发现者整理分析了观测数据，发现了一系列疑似干扰信号。一开始，误认为是由开车晚归的农场工人引起的。在分析其余数据时，又发现了一些与干扰信号几乎同时发生但幅度较低的信号起伏，且发生时间一天比一天早四分钟，这对应于所谓恒星时（sidereal time），就是基于地球自转而引入的时间参照。说明信号并非地面干扰，而是来自天体。随后，通过对照干扰信号与天体的相对位置，确定了信号的木星来源（下图）。

图. Burke and Franklin于1955年探测到的多组木星射电信号及其源区位置与木星、天王星等天体运行轨道的比较。取自Burke and Franklin (1955, JGR)。

   上面简单介绍了木星射电辐射的发现过程。这一发现是射电天文学研究也是行星科学研究中的重要里程碑事件，“marked the birth of planetary radio astronomy (Garcia等，2005, AAS)”，“provide a new means for gaining knowledge about the planet and its atmosphere (Carr, 1959, AJ)”，为行星研究提供了全新手段！随后几十年间陆续实施的旅行者号、Galileo、Cassini等诸多卫星计划也都携带着探测射电信号的仪器设备。

   该发现公布后，引起了一大波关注和后续研究工作。首先是Shain检查了所在澳大利亚台站数据，发现其实早在五年前---1950年7月就已经记录到源自木星的18.3 MHz信号，不过当时将之视为干扰信号。这些信号被称为“prediscovery records”。Shain等人使用的天线阵列系统波瓣大小为17度，远大于Mills Cross阵列，这应该是Shain等人没有最先发现木星射电信号“luck”之外的一个原因：仪器性能不太够，难以支撑信号来源的精细分辨。不过这些早期数据仍然非常有价值，一方面直接证实了Burke & Franklin的发现，另一方面，基于这些长时间数据，发现木星射电信号发生频次与木星自转周期有关。

   通过观测星体表面特征的运行速度和重现周期，便可测量行星自转速度或周期！但木星是一颗庞大的气态巨行星，各部分自转速度不同，如以往根据赤道区域（equatorial belt）大气（云层上方）特征，测出自转周期（System I）为9h50m30s.004，而根据其它区域（non-equatorial features）特征，可得9h55m40s.632（System II），相差足有几分钟！如何透过厚重的氢氦大气层，精准测量木星内核自转周期，还是一个难题！

   基于那些prediscovery 数据，Shain做出了一个重要发现：木星射电现象有重现周期，且与上述木星自转周期非常接近！说明辐射源自木星局部区域，且方向性很强，仅当源区随木星转到合适位置时，才能被观测到。根据后续研究，所观测到的木星射电辐射主要位于木星磁极区域。由此，通过长时间平均，便可精确定出源自木星内核的大尺度磁场结构---磁层的旋转速度，也就表示木星内核或整体的自转速度。

   在Shain 工作的启发下，出现了不少基于射电测量木星自转周期的工作。1958年，Franklin & Burke根据1950-1957年间的数据，得到了9h55m33s的自转周期！1965年，国际天文学会（IAU）将射电测量木星自转周期的方法定义为System III（与上述I与II并列），并给出了9h55m29.37s的参考数值。1997年，Higgins等基于Florida大学射电天文台1957-1994间整35年数据得出的数值为9h55m29.6854s，均方差0.0035s。后续，也有作者基于Voyager，Galileo等卫星数据，根据射电与磁场的测量数据验证相应自转周期。注意，木星自转的长期测定，可用来研究木星内核与磁场的长期演化！

   除了木星自转之外，木星射电的发现还提供了木星存在磁场的直接证据！在公布其发现之后，Burke & Franklin很快更新了他们的天线系统，使其具备了圆偏振测量能力，并发现“most of the radio noise bursts were strongly circularly polarized”，对于那些最强的射电分量，还发现“only bursts of right circular polarization were observed”。意思是，木星十米波射电现象是高度圆偏振的！这被理解为磁化等离子体中传播的X模或O模信号！正是磁场的出现，才导致左右旋电磁模式性质及其激发机制等方面的不少差异。当然，要判断X/O模属性，还要等到卫星飞掠行星时的磁场测量数据！

   当前，此类射电信号已经成为判断一颗行星具有大尺度磁场、磁层结构的“第一”证据。由于磁层可以有效屏蔽太阳风高能粒子和宇宙射线，是保护地球生命的一道重要屏障，在人类寻找系外“宜居”行星的过程中，探测到类似射电信号已经成为一项重要“指标”。

   综上，早期关于木星射电的数据分析，发现了很多重要特征，有：(1) 所观测到的十米波射电信号经常具有高圆偏振特征；（2）具有非常高的辐射强度，使得木星成为天空中除太阳外的一个最强射电源；（3）在较高频率，辐射“戛然而止”，具有独特频谱特征，与当时很多已知的天体射电现象都不相同；（4）辐射方向性强，或者说仅在特定方向上才能观测到辐射。期间，研究人员发展了很多理论模型，但直到1979年，Wu & Lee (1979)提出了修正的电子回旋脉泽辐射模型之后，才得到了很好解释。

   这些早期发现、理论研究与后续空间探测为行星科学与天文学和空间科学研究带来了很多重要和基本的课题，提供了强大的发展动力，使得行星射电天文学成为射电天文学和行星科学中“久盛不衰”的重要分支。此外，一点小的感触，要想做出重大发现，除了要有所谓“运气”之外，还必然要具备足够的科学素养，以及根据需要不断更新迭代、特别是要有自主研制的顶端科研设备！

参考文献

Burke B. F. and Franklin K. L., Observations of a variable radio source associated with the planet Jupiter, JGR, 1955.

Carr T. D., Radio frequency emission from the planet Jupiter, the Astronomical Journal, 1959.

Franklin K. L. and Burke B. F., Radio observations of the planet Jupiter, JGR, 1958.

Franklin K. L., Ac account of the discovery of Jupiter as a radio source, the Astronomical Journal, 1959.

Garcia L. N., Thieman J. R., and Higgins C. A., The birthplace of planetary radio astronomy, AAS, 2005.

Higgins C. A., Carr T. D., Reyes F. et al., A redefinition of Jupiter’s rotation period, JGR, 1997.

Shain C. A., 18.3 Mc/s radiation from Jupiter, Australian Journal of Physics, 1956.