望向宇宙深處的中國“天眼”

張唯誠

近日，位于貴州省平塘縣大窩凼的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）的最后一塊反射面單元成功吊裝，標(biāo)志著這只“觀天巨眼”終于睜開了，即將把目光投向宇宙的深處，追蹤遙遠(yuǎn)的信號(hào)，搜尋奇異的天體，甚至開展對(duì)地外文明的探索。中國“天眼”的開啟，還將為射電天文學(xué)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

時(shí)代呼喚“射電巨鏡”

宇宙天體除了發(fā)出可見光之外，還發(fā)出多種人眼看不見的輻射，如紅外線、紫外線、X射線、γ射線、無線電波等。早期的天文學(xué)家只能在可見光范圍內(nèi)觀測宇宙，但近一二百年來，由于人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種可見光之外的輻射，并不斷研制出能夠觀測到這些輻射的特殊的望遠(yuǎn)鏡，人類已經(jīng)掌握了在多種“不可見”波段上觀測宇宙的技術(shù)，這其中有關(guān)射電波的應(yīng)用是最值得大書特書的。

1931年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的電器工程師央斯基用天線發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能來自銀河系中心的干擾源，這表明宇宙中的天體也是有無線電輻射的。這件事啟發(fā)了另一位名叫格羅特·雷伯的無線電工程師，于是他在自家后院安裝了一個(gè)天線，它的主體是一個(gè)直徑約9米的拋物面，這就是人類第一架為天文觀測而制造的射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡的成像過程比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡復(fù)雜，它要不停地記錄接收到的數(shù)據(jù)，然后通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理獲得所觀測天區(qū)的圖像。

射電望遠(yuǎn)鏡的誕生為人類探索宇宙奧秘打開了一個(gè)新的窗口，人們稱之為“射電窗口”。很快，人們就用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了大量發(fā)射無線電波的天體，這些天體被統(tǒng)稱為“射電源”。為了研究“射電源”，一門嶄新的學(xué)科也應(yīng)運(yùn)而生，這就是射電天文學(xué)。

人們?cè)缇鸵庾R(shí)到，遙遠(yuǎn)的宇宙中存在著很多奇特的現(xiàn)象和神秘的天體，僅僅用普通的望遠(yuǎn)鏡是根本發(fā)現(xiàn)不了它們的。例如，人們預(yù)言了一種致密的中子星的存在，這種星由擠壓在一起的中子組成，中子星的密度高得驚人，直徑只有幾十千米，質(zhì)量卻比太陽還大。然而多年過去了，人們一直沒有證明這個(gè)猜測。直到20世紀(jì)60年代，英國人喬林斯·貝爾和她的導(dǎo)師安東尼·休伊什用一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡接收到了4個(gè)奇怪的脈沖信號(hào)。經(jīng)過多方求證，他們終于意識(shí)到，那些脈沖信號(hào)來自于幾十年前就被預(yù)言到的中子星的能量輻射。由于中子星是恒星爆炸后產(chǎn)生的反作用力壓縮而成的，它們?cè)隗w積縮小時(shí)會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，那些能量輻射不時(shí)會(huì)在旋轉(zhuǎn)中掃過地球，于是地球上的射電望遠(yuǎn)鏡就能接收到脈沖信號(hào)了，所以中子星也被稱為脈沖星。

脈沖星的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)60年代射電天文學(xué)迅速發(fā)展起來后取得的重大成就，另外幾項(xiàng)重要成就包括發(fā)現(xiàn)了類星體、宇宙大爆炸的微波背景輻射和彌漫于星際空間的星際分子。

射電天文學(xué)的進(jìn)步把人們的視線引向了宇宙遙遠(yuǎn)的邊緣，那里隱藏著更多有關(guān)宇宙起源和演化的關(guān)鍵線索，黑洞、類星體、暗物質(zhì)和暗能量等成了破解宇宙之謎的重大課題。于是，全世界的天文學(xué)家都非常渴望擁有威力更加強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡。人們意識(shí)到，誰擁有了這種望遠(yuǎn)鏡，誰就更有可能站立在現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)的潮頭，成為破解宇宙之謎的領(lǐng)軍力量，這就是我國科學(xué)家為什么要建造一架世界頂級(jí)射電巨鏡FAST的原因之所在。

應(yīng)運(yùn)而生的FAST

FAST借助一個(gè)天然的圓形溶巖坑建造，主體是一面巨大的反射鏡，由幾千塊反射面板拼裝而成，其邊框?yàn)榄h(huán)形鋼梁，眾多鋼索依托鋼梁懸垂交錯(cuò)，構(gòu)成一個(gè)球形網(wǎng)，用以支撐FAST巨大的反射鏡。這個(gè)反射鏡的總面積約25萬平方米，相當(dāng)于30個(gè)足球場的總合。它面向蒼穹，掃描太空，堪稱探索宇宙奧秘的中國“天眼”。

建造FAST是對(duì)我國望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的一次嚴(yán)格檢驗(yàn)，因?yàn)镕AST要把覆蓋30個(gè)足球場的信號(hào)聚集在藥片大小的空間里。要實(shí)現(xiàn)這樣毫米級(jí)的精度，難度是可想而知的。首先，由于熱脹冷縮，鋼結(jié)構(gòu)很容易變形;其次，F(xiàn)AST的天線鍋是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的球形，在工作的時(shí)候，它要通過變換形狀以在適當(dāng)?shù)牡胤叫纬?00米直徑的拋物面，F(xiàn)AST用這種方法轉(zhuǎn)換天線的方向，所以，它必須非常易于操作。科學(xué)家們通過控制近萬根鋼索以實(shí)現(xiàn)鏡面的連續(xù)變形，這無疑需要高超的工程技術(shù)予以支持。除此之外，F(xiàn)AST最令人驚嘆的奇跡自然就是它的靈敏度了，它能探測百億光年之外的射電信號(hào)，能精確探測宇宙中的物質(zhì)成分，它的每塊反射面上都可進(jìn)行對(duì)焦，它的靈敏度相當(dāng)于美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的2.25倍，巡天速度是它的10倍。

隨著FAST的正式竣工，它將成為全球最受期待的“觀天巨眼”。那么，這個(gè)號(hào)稱“天眼”的射電望遠(yuǎn)鏡會(huì)給我們帶來怎樣的發(fā)現(xiàn)呢？要回答這個(gè)問題，還是讓我們回頭看一看與FAST最為相似的單天線射電望遠(yuǎn)鏡吧。在FAST誕生以前，它當(dāng)之無愧地處于望遠(yuǎn)鏡家族的“霸主”位置，它就是位于波多黎各島上的美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡。

射電巨鏡已有的輝煌

阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡口徑350米，建成于1963年，它原來的天線是金屬網(wǎng)，20世紀(jì)70年代初改建成金屬板拼接而成的球面。此后，在80年代和90年代，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡也進(jìn)行過升級(jí)，性能得到了提高。

從建成之日起，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡就是天文學(xué)家們夢想的探索利器，幾千名研究者使用過它，用它研究類星體、脈沖星以及處在宇宙邊緣的其他射電源。1990年，來自波蘭托倫天文學(xué)中心的亞歷山大·沃爾茲剛利用因等待維修而閑置下來的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡從事了一次相對(duì)簡單的巡天觀測，即讓望遠(yuǎn)鏡跟隨地球的自轉(zhuǎn)“漫無目的”地搜索天空，看看能不能發(fā)現(xiàn)些什么。不到10天，他就發(fā)現(xiàn)了脈沖星PSR B1257+12。這顆星很特別，脈沖信號(hào)時(shí)而早一點(diǎn)，時(shí)而晚一點(diǎn)，表明它的旁邊可能有天體影響著它。經(jīng)過大量的分析，沃爾茲剛認(rèn)為，這顆脈沖星的周圍有3顆行星，其中有一顆質(zhì)量只相當(dāng)于地球質(zhì)量的十五分之一。即使在現(xiàn)在，這顆行星也是人們知道的繞著除太陽之外的另一顆恒星運(yùn)行的最小的行星。

多數(shù)人都認(rèn)為脈沖星不會(huì)擁有行星，然而沃爾茲剛的發(fā)現(xiàn)否定了這種觀點(diǎn)。這次發(fā)現(xiàn)還首次證明，在太陽系之外的確存在著“系外行星”。事實(shí)上，人類在太陽系外發(fā)現(xiàn)的首批行星就是脈沖星PSR B1257+12周圍的這3顆行星。到了1995年，人們才在一顆類似太陽的恒星周圍發(fā)現(xiàn)了系外行星飛馬座51b。

在脈沖星周圍發(fā)現(xiàn)行星，大約只有像阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡這樣的“超級(jí)巨眼”才能做到，在它長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的“生涯”里，還完成了很多著名的探索，把射電天文學(xué)推到了一個(gè)新的高度。例如，1974年美國物理學(xué)家約瑟夫·胡頓·泰勒和拉塞爾·艾倫·赫爾斯發(fā)現(xiàn)了一個(gè)射電脈沖雙星系統(tǒng)PSR191316。兩位科學(xué)家利用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)這個(gè)雙星系統(tǒng)進(jìn)行了上千次觀測，獲得了20年的軌道周期值。他們的觀測結(jié)果與廣義相對(duì)論計(jì)算的結(jié)果十分相符，從而證實(shí)了引力波的存在。1993年，泰勒和赫爾斯雙雙榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

雷伯的射電望遠(yuǎn)鏡

在遼闊的宇宙中尋找智慧生命，這是人們從事了半個(gè)世紀(jì)的工作，而阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡也做了非常理想的嘗試，因?yàn)樯潆姴ㄒ怨馑賯鞑?，效率高，速度快，是最切?shí)可行的辦法。

那次嘗試是用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡向銀河系的武仙座球狀星團(tuán)M13發(fā)送射電波，內(nèi)容是一連串?dāng)?shù)字，它們構(gòu)成了一幅由1和0組成的電碼圖，其含意包括氫、碳、氮、氧、磷等元素的原子序數(shù)，人類的DNA構(gòu)造，人體的外形和身高，地球在太陽系中的位置等。M13包含幾十萬顆恒星，距地球約2.51萬光年，所以這份“電報(bào)”要在宇宙中“旅行”2.5萬多年才能抵達(dá)目的地。假若“外星人”收到了這份“電報(bào)”并且向我們回復(fù)，那么又需要2.5萬多年才能被我們收到。

阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡能接收從目標(biāo)反射回來的信號(hào)回波，這使它有能力獲得被探測物體的表面圖像，也能探測目標(biāo)天體上是否有水冰的信息，它用這種方法探測了月球和水星的極區(qū)，是一種很巧妙的“找水”途徑。

FAST會(huì)為我們帶來什么？

相對(duì)于阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST顯然可以做更多的事，并且獲得更好的效果，因?yàn)樗慕邮漳芰Ω鼜?qiáng)，靈敏度更高，還使用了一些前所未有的創(chuàng)新技術(shù)，這使它的綜合性能得以大幅提高。

FAST會(huì)在探索脈沖星方面大顯身手。自20世紀(jì)60年代貝爾和休伊什發(fā)現(xiàn)了脈沖星后，人們迄今已發(fā)現(xiàn)了2000余顆脈沖星，然而這些脈沖星都存在于銀河系之內(nèi)，銀河系之外的其他星系是否也有脈沖星？它們又有什么特別的地方？這是人們非常想知道的，而FAST的強(qiáng)大功能完全能滿足人們的這個(gè)愿望，因?yàn)樗心芰υ凇昂油庑窍怠敝邪l(fā)現(xiàn)脈沖星。FAST能在一年時(shí)間里發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆脈沖星，它將建立一個(gè)脈沖星計(jì)時(shí)陣，參與未來的脈沖星自主導(dǎo)航和引力波探測。

FAST將觀測宇宙中的中性氫。中性氫是一種氣體，會(huì)發(fā)射波長為21厘米的電波。早在20世紀(jì)中葉，科學(xué)家就曾利用中性氫探索了銀河系的形狀，他們用射電望遠(yuǎn)鏡觀測銀河系中的21厘米電波，從而更詳細(xì)地了解了銀河系的結(jié)構(gòu)和形狀，銀河系旋渦結(jié)構(gòu)的若干細(xì)節(jié)就是用這種方法得到的。而FAST將瞄準(zhǔn)更加遙遠(yuǎn)的宇宙深處，從而揭秘星系和宇宙演化的奧秘。

FAST是人們研究類星體之謎的利器。類星體是一種奇怪的射電源，此前研究認(rèn)為，多數(shù)類星體是一種非?；钴S的早期星系，被稱為活動(dòng)星系，它們離我們非常遙遠(yuǎn)，且擁有一個(gè)非常明亮的核。這個(gè)不可思議的核是怎么來的呢？原來，在活動(dòng)星系中隱藏著一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的“超大質(zhì)量黑洞”，正是這個(gè)黑洞的巨大引力“點(diǎn)燃”了活動(dòng)星系中的密集物質(zhì)，從而使活動(dòng)星系的核變得極為明亮，乃至于離我們非常遙遠(yuǎn)也能被望遠(yuǎn)鏡觀測到。研究類星體是人們了解星系和宇宙演化的重要環(huán)節(jié)，然而人們至今對(duì)它們的了解還非常不足，所以FAST對(duì)類星體的觀測將非常值得期待。

FAST將成為甚長基線干涉測量網(wǎng)的主導(dǎo)力量。甚長基線干涉測量是一種用于射電天文學(xué)中的天文干涉測量方法，它用多個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測一個(gè)天體，模擬一個(gè)大小相當(dāng)于望遠(yuǎn)鏡之間最大間距的巨型望遠(yuǎn)鏡的觀測效果。使用這種方法，F(xiàn)AST將發(fā)揮重要作用，從而幫助天文學(xué)家們獲得天體的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。

FAST還將作為高靈敏度雷達(dá)對(duì)空間目標(biāo)，包括衛(wèi)星、空間碎片等進(jìn)行監(jiān)視和成像。

美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡

事實(shí)上，F(xiàn)AST要做的事情還有很多，如宇宙大尺度物理學(xué)、日地環(huán)境研究、尋找地外文明，等等。盡管FAST和阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡都是探索宇宙的“射電高手”，但后者畢竟建造于20世紀(jì)60年代，而FAST則使用了更新的技術(shù)，諸多方面得到全面提升，所以FAST將成為單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的“霸主”，并且將一直領(lǐng)先幾十年。在許多方面，F(xiàn)AST的“本領(lǐng)”是獨(dú)一無二的。例如FAST的球面由幾千面主動(dòng)反射單元構(gòu)成，每個(gè)單元都可以對(duì)焦，因此靈敏度比阿雷西博望遠(yuǎn)鏡高得多，巡天速度也快很多。此外，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡是固定望遠(yuǎn)鏡，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，只能通過改變天線饋源的位置掃描天空中的一個(gè)帶狀區(qū)域，而FAST則能掃描更廣闊的天空，這種獨(dú)到之處也將大大提高它的觀測能力。

作為一架世界頂級(jí)巨鏡，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的確創(chuàng)造了它曾經(jīng)的輝煌，但FAST將超越這架望遠(yuǎn)鏡，成為新一代射電巨鏡的領(lǐng)頭羊。在天文學(xué)領(lǐng)域，這種超越和競爭經(jīng)常發(fā)生，且從未停止，它是推動(dòng)天文學(xué)向前發(fā)展的重要?jiǎng)恿?，也把人類?duì)自然世界的認(rèn)知能力不斷地帶往新的高度?？梢灶A(yù)測，F(xiàn)AST必將不辱使命，為射電天文學(xué)的發(fā)展帶來全新的機(jī)遇。

【責(zé)任編輯】龐 云