DIY一个暗物质探测器？用一个简单的射电望远镜能发现这个宇宙谜团吗？

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如果诸位读者中有哪位好奇暗物质到底是什么，那么他一定能发现与自己类似的同好们。

关于这个问题，天文学家们也不清楚，但他们已经确定，这种看不见的物质必须比他们能观测到的恒星和星云丰富得多。他们通过观察这些令人困惑的暗物质所产生的引力效应，推断出这一点，并为此展开了长达数十年的研究，以揭示其本质。

《IEEE Spectrum》的前编辑 David Schneider最近了解到，如果想要探测暗物质的存在，可以使用他此前一篇文章中所提及的「Discovery Dish」这样的小型射电望远镜。这其中的关键在于知道要收集哪些观测数据以及如何分析这些数据。

来 DIY 一个探测设备

在此之前，我们先来看看这个射电望远镜。

图示：用多功能的探索天线。

这是 David 在 2025 年 3 月 28 日发表的文章中所提到的射电望远镜，抛物面天线由三片金属花瓣组成，外加一些辅助部件，用于固定馈线和将天线安装在支架上。所有东西都用螺母和螺栓固定在一起，可以拆解和重新组装。

他以这种射电望远镜为出发点，自制了一套全新的设备。

首先是一根金字塔形的喇叭天线，类似于 1951 年首次用于探测太空中中性氢星际云发出的 1420.4 兆赫无线电波的喇叭天线。这些辐射信号是确认暗物质存在的关键，因为这类云团遍布整个银河系，其运动状态反映了银河系不同区域发生的情况。

David 用计算器辅助设计这款天线，采用了一些 10 英尺 × 2 英尺的屋顶防水板与一个空的一加仑油漆稀释剂罐子来实现尺寸需要（这里 David 提及，大小差不多为一个 F 型罐）。

图示：喇叭天线，由胶带、一个空油漆罐和一卷金属防水板（最底层）制成。

天线成果与他在 2019 年的文章中所展示的效果近似。为了保证效果，David 将其做的更大，以便能够扫描更小范围的天空区域。

图示：David 早期制作的号角天线。

接收器采用 Nooelec 公司的 SAWBird+ H1 设备。该设备将两个低噪声放大器与一个以 1420 MHz 为中心的驻波声学滤波器结合，并搭配一个 RTL-SDR V4 适配器。因此，组装用于测量氢云信号所需的硬件并不困难。但如何从这些信号中提取出暗物质的特征呢？

答案是，利用这些测量数据来判断距离银河系中心不同位置的云团在轨道上运动的速度。

换而言之：

你只需证明物质围绕银河中心运动的速度不会随距离衰减。

或许有人认为，这些云团围绕银河系中心运行的方式，就像行星绕太阳运转或卫星绕地球运行一样，靠近的天体轨道速度比远离的更快。

银河系中心有一个星团，围绕着一个超大质量黑洞。乍看之下，整个星系的质量似乎集中在中心附近。如果真是这样，那么随着距离中心越远，恒星和其他物质的云团轨道速度应该会越慢。然而，如果整个星系中存在大量不可见的物质，就不应出现轨道速度如此下降的情况。

测量速度的方式

因此，要探测暗物质，只需证明物质围绕银河系中心运动的速度不会随距离衰减。而无线电观测是实现这一点最简便的方法，因为通过测量氢云信号因多普勒效应产生的位移，就可以确定其速度。

通过将射电望远镜指向天空的不同区域，可以接收到距离银河系中心不同距离的云团发出的辐射。这些辐射频率偏移 1420 MHz，反映了这些云团相对于地球的接近或远离速度。

在本次测试中，我们会用到一种名为切点法的高中几何学知识。我们需要从银河系平面获取测量数据，位于银河经度 0 至 90 度之间（银河经度 0 度表示直接朝向银河中心，180 度则表示直接远离银河中心），并将这些数值转换为绕银河中心运行的轨道速度。

图示：通过三角函数确定任意云团中速度最快的一点与银河系中心的距离。

David 的望远镜角分辨率约为 20 度，因此，借助天文软件 Stellarium，他将天线对准银河系平面，分别指向银河经度约 15、30、45、60、75 和 90 度的位置，并将这些位置间隔分布，以使每组测量尽可能独立。

数据由名为 IF Average 的插件，配合 SDR# 软件来读取。这个插件会将几分钟内接收到的数据叠加在一起，从而让微弱信号得以显现，并生成清晰的无线电频谱，显示出 1420 MHz 的频率线。

这里，由于多个距离银河中心不同距离的云层发出的多普勒频移信号，其表现更像是一个凸起，甚至是一组凸起。但其实只需要关注速度最快、也就是红移最大的那片云层——用天文学术语来说，就是红移最大的云层。

David 采用 Microsoft Excel 来分析所收集的射电频谱形状，将其建模为来自不同云团的单个钟形贡献之和。这让他能估算出对应的最大红移值。接着，他又再次使用 Excel 应用公式，将这六个红移值转换为六对轨道速度和距离银河中心的距离。

这个结果与一篇论文中的数据相吻合。其中两个最内侧的点显示出异常低的轨道速度，再用 Excel 进行曲线拟合时，这些结果与预期更加接近，但仍存在一定程度的偏差。

https://www.ioa.s.u-tokyo.ac.jp/~sofue/papers/sofcomp/2025-pasj-Inner-Rot-Curve-MilkyWay.pdf

无论从什么角度出发，估算出的轨道速度并不会随着距离银河系中心而减小——可事实却与之相反。这说明某种力量正在影响着银河系的旋转方式。

正是这一基本观测让 David 能够借助一些屋顶防水板和一个稀释剂罐子，从自家后院探测到暗物质的存在。

https://spectrum.ieee.org/dark-matter