中國觀天巨眼

黃忻然

外星人藏在哪里？神秘的暗能量到底是什么？宇宙中還有什么樣怪異的天體和難解的奇異現(xiàn)象？這些棘手又充滿吸引力的問題長期困擾著科學家們。不過在未來，F(xiàn)AST也許能為解答這些問題提供一些重要線索。

1931年，美國人葛羅特·雷伯在自家后院建了一個直徑9.5米的“大鍋”，這就是最早的射電望遠鏡。射電望遠鏡是一種觀測和研究來自天體的射電波的設備。而射電波其實是能夠穿透地球大氣層到達地球表面的電磁波。雷伯在1939年開始用這個射電望遠鏡接收來自銀河系中心的電磁波，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制了第一張射電天圖。這標志著射電天文學的誕生。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，射電望遠鏡家族誕生了一個巨無霸，它就是位于波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡，它的直徑達到了305米。這個巨大的尺寸使它從1974年至2016年，都占據(jù)著世界最大射電望遠鏡的位置。此外，科學家們還建造了覆蓋范圍更大的射電望遠鏡陣列。目前在建的最大的射電望遠鏡陣列是“平方千米陣列”（SKA），它的覆蓋范圍跨越了歐洲、非洲和大洋洲。不過，科學家預計，在未來二三十年，射電望遠鏡領域可能將由一個大塊頭——FAST稱霸！

射電望遠鏡中的巨無霸

FAST其實是“500米口徑球面射電望遠鏡（The Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope）”的英文簡稱，而在我國，它的昵稱是“天眼”。不過，“500米口徑球面射電望遠鏡”這個名稱不夠準確，因為FAST的口徑不是500米，而是520米。

FAST位于我國貴州省平塘縣的一個天然的喀斯特洼地中。雖然名稱里有“望遠鏡”這3個字，但是射電望遠鏡與一般的望遠鏡不同，它沒有物鏡，也沒有目鏡，只有天線和接收系統(tǒng)兩大部分組成。FAST的主要結(jié)構就包括主反射面（天線）、饋源艙（用于安放接收和信號傳輸系統(tǒng)的裝置）以及望遠鏡的支撐結(jié)構。

FAST的主反射鏡由4450塊邊長為11米的三角形鋁板和177塊異形板構成。它的支撐結(jié)構包括一張巨大的主索網(wǎng)和一個巨型圓環(huán)鋼梁。主索網(wǎng)看起來就像一張巨大的漁網(wǎng)，這張網(wǎng)最外面由巨大的圓環(huán)形鋼梁支撐。所以整個支撐結(jié)構看上去更像一個大型的笊籬，反射面板就鋪設在網(wǎng)眼中。

FAST的饋源艙懸空于主反射面中心的上方，由6個繩索連接到外面的6根支撐塔上。在這個小艙室中不僅裝有能接收信號的饋源，還有能放大信號的裝置以及向觀測室傳輸信號的系統(tǒng)，它就像FAST的“眼珠”。

這樣看起來，F(xiàn)AST除了個頭大，也沒什么特別的了。那么，F(xiàn)AST有什么樣的過人之處，以至于它在未來二三十年能成為最優(yōu)秀的射電望遠鏡？

大塊頭與靈活小個子的較量

單口徑大型射電望遠鏡通常是固定的，如阿雷西博射電望遠鏡。由于不能轉(zhuǎn)動，所以固定的大型射電望遠鏡所能觀測的天區(qū)有限，并且跟蹤目標的靈活性也比較差。

那么，建造可全方位轉(zhuǎn)動的射電望遠鏡是否可行？目前最大的可轉(zhuǎn)動的射電望遠鏡直徑為100米，其中一個是1971年建于德國的北萊茵-威斯特法倫州的“埃菲爾斯貝格射電望遠鏡”，另一個則是2000年建于美國西維吉尼亞州的“羅伯特·C·伯德綠岸望遠鏡”。以現(xiàn)在的技術，要建造直徑大于100米的可操縱轉(zhuǎn)動的射電望遠鏡是比較困難的。這是因為口徑越大的望遠鏡，體積通常也越大，而要讓這些體型巨大的家伙轉(zhuǎn)起來并不那么容易。

當然，建不成大型可轉(zhuǎn)動的射電望遠鏡，還可以考慮建射電望遠鏡陣列，望遠鏡陣列的一大優(yōu)點是覆蓋面廣、可觀測天區(qū)面積大。目前在建的世界上最大的射電望遠鏡陣列“平方千米陣列（SKA）”是一個跨洲項目，該項目將連接歐洲的“LOFAR”低頻陣列望遠鏡、南非的“MeerKAT”厘米波射電望遠鏡和澳大利亞的“ASKAP”平方千米陣列射電望遠鏡，對整個天空進行協(xié)同觀測，相當于口徑超過1000米的巨型射電望遠鏡。這樣對比起來，建造一個望遠鏡陣列似乎比建造一個大型的望遠鏡更容易，效果可能也更好。

但是，射電望遠鏡陣列也有缺點。雖然射電望遠鏡陣列覆蓋的面積廣，能觀測的天區(qū)更大，但是組成陣列的單個望遠鏡都比較小，靈敏度比不上大型單口徑射電望遠鏡，因此它們很難檢測到較弱的射電信號。所以相比較而言，它們更適合用來研究那些已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)的、信號較強的射電源。

此外，建一個望遠鏡陣列需要投入更多的資金。仍在建的SKA項目的總投資預計超過了130億人民幣，而FAST的造價則是12億人民幣。而如果想讓SKA擁有像FAST那樣的高靈敏度，那還需要投入更多的資金來改進或者更換它們的設備。

所以，從實用性和造價的角度來說，目前建造像FAST這樣的大型單口徑射電望遠鏡是比較好的選擇。

大塊頭與大塊頭的比拼

如果要論射電天文學中的功臣，阿雷西博射電望遠鏡肯定名列其中。在FAST建成之前，阿雷西博射電望遠鏡是世界上最大的單口徑射電望遠鏡，它位于波多黎各一個天然的喀斯特洼地上。到目前為止，基于阿雷西博射電望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)，科學家們已經(jīng)有了許多重大發(fā)現(xiàn)，其中最引人注目的發(fā)現(xiàn)是美國物理學家約瑟夫·胡頓·泰勒和拉塞爾·艾倫·赫爾斯利用這個望遠鏡發(fā)現(xiàn)了能證明引力波存在的證據(jù)。他們也因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

作為后起之秀，F(xiàn)AST除了個頭比阿雷西博射電望遠鏡大，它還有一些特殊的“技能”。

首先，F(xiàn)AST的球面反射鏡可以改變角度。FAST和阿雷西博射電望遠鏡一樣都是不能轉(zhuǎn)動的，不過，F(xiàn)AST有一項高超的“技能”——通過改變主反射鏡的形狀來擴大檢測天區(qū)的面積。

從總體結(jié)構上來說，阿雷西博射電望遠鏡和FAST結(jié)構相似，主反射面都由主索網(wǎng)支撐，而組成主反射面的三角形鋁板的頂角處都有一個索網(wǎng)節(jié)點，F(xiàn)AST的秘密武器就藏在節(jié)點的下方。FAST索網(wǎng)的每一個節(jié)點下方都有下拉索，而每一個下拉索都連接著一個機器人。當這些小機器人按照指令一起工作時，就能通過拉動鋁板，使主反射鏡在不同的區(qū)域都能形成一個直徑300米的拋物面，這使FAST可觀測的天區(qū)更廣。這就像我們的頭沒有轉(zhuǎn)動時，眼睛的轉(zhuǎn)動也能使我們的視野變寬一樣。擁有了這項“技能”，F(xiàn)AST就能觀測到它正上方向任何方向偏轉(zhuǎn)40°角的天空，這是阿雷西博射電望遠鏡的兩倍。

此外，與阿雷西博射電望遠鏡相比，F(xiàn)AST配備的饋源結(jié)構更輕巧。阿雷西博射電望遠鏡的饋源結(jié)構比較復雜。整個結(jié)構由三角形平臺、懸掛并能使饋源艙滑動的鋼架以及饋源艙組成。三角形平臺由3個支撐塔掛起，平臺的下方是一個條狀鋼架，鋼架的下方掛著饋源艙，饋源艙能在鋼架上滑動，就像一列來回運動的火車。通過饋源艙移動，阿雷西博射電望遠鏡能掃描約20°的帶狀區(qū)域。

而FAST的饋源結(jié)構僅包括被支撐塔掛起的饋源艙，因此體積和質(zhì)量都很小。整個饋源艙的直徑大約10米，重30噸。饋源艙能通過特殊的轉(zhuǎn)向機構和制動系統(tǒng)的控制，根據(jù)主反射面在不同區(qū)域形成的拋物反射面，精確定位這個反射面的焦點。因此盡管FAST的饋源結(jié)構更小，但絲毫不影響FAST接收信號的能力。

而從綜合性能上來說，F(xiàn)AST的綜合性能比阿雷西博射電望遠鏡高10倍。可見，取代阿雷西博射電望遠鏡的地位， FAST是靠實力取勝的。

FAST能做什么？

FAST有一個重要的作用，就是觀測分散在宇宙中的中性氫。中性氫由不帶電的氫原子組成，它們組成了恒星的大部分以及像木星和土星那樣的氣態(tài)行星，它們還是星際介質(zhì)的主要組成成分。通過檢測中性氫集中的區(qū)域，可以確定螺旋星系的旋臂結(jié)構。而通過檢測距離我們更遠的區(qū)域的中性氫，還能發(fā)現(xiàn)星系之間的引力擾動。此外，對中性氫的大規(guī)模搜索將有助于解開星系的形成和演化，對尋找暗物質(zhì)和暗能量也是非常有用的。

然而，在距離較遠的情況下，是看不到氫原子的。那么要怎樣才能找到中性氫呢？中性氫由質(zhì)子和電子組成，在特殊的情況下，中性氫會產(chǎn)生一種波長為21厘米的微弱的電磁波，從而暴露自己的行蹤。通過觀測這種特定波長的電磁波就能發(fā)現(xiàn)中性氫的蹤跡。FAST在搜尋中性氫這方面有一手，它能夠?qū)⒅行詺洚a(chǎn)生的微弱電磁波信號放大19倍。這意味著，它有更大的幾率能檢測到宇宙中的中性氫，并能更詳細地觀測它們。

除了搜索中性氫，F(xiàn)AST最擅長的工作還有尋找脈沖星。

脈沖星是中子星的一種，它們的電磁波信號長期穩(wěn)定并有規(guī)律地掃過地球，它被認為是自然界中最穩(wěn)定的“時鐘”。而根據(jù)脈沖星信號長期穩(wěn)定且有規(guī)律這一特點，我們可用它來為原子鐘校準。而由10到20個自轉(zhuǎn)穩(wěn)定的脈沖星組成的脈沖星計時陣，還能更精確地檢測原子鐘的時差。FAST的一項主要工作就是尋找脈沖星，建立脈沖星計時陣。

大多數(shù)脈沖星發(fā)出的是射電脈沖，因此它們的信號能在射電波波段被檢測到。但是由于脈沖星與我們的距離遙遠，在地球上的我們能檢測到的脈沖信號很微弱，再加上星際物質(zhì)對信號的干擾，因此要觀測、分辨脈沖星，準確地檢測到它們的信號并不容易。據(jù)統(tǒng)計，自射電望遠鏡誕生至今，人類大約發(fā)現(xiàn)了2500顆脈沖星。

而FAST自有尋找脈沖星的法寶——能檢測的信號頻率為70兆赫～3千兆赫。這意味著幾乎所有波段的射電波都逃不過FAST的眼睛，因此FAST能較輕松地觀測到發(fā)出射電脈沖的脈沖星。并且FAST的靈敏度高，觀測的天區(qū)也比較大，這也有利于對脈沖星的搜索。據(jù)估計，如果FAST的工作時間全部用于尋找脈沖星，那么它只需一年就能找到4000顆左右的脈沖星?？茖W家還認為，F(xiàn)AST將發(fā)現(xiàn)第一顆銀河系之外的脈沖星——最可能位于距離我們200萬光年的仙女座星系。它甚至有可能在一年的時間內(nèi)找到50到80顆銀河系外的脈沖星。這樣的能力是阿雷西博射電望遠鏡遠不及的。

此外，F(xiàn)AST可能會成為幫助人類搜尋地外文明的好助手。FAST能監(jiān)聽宇宙中有機分子發(fā)出的獨特的電磁波，理論上能接收到137億光年之外的電磁信號。而根據(jù)FAST接收到的信號，科學家能夠判斷哪里可能存在高智慧生命，哪里是生命的荒漠。而如果銀河系中真的存在高智慧的外星人，那么FAST將會很快發(fā)現(xiàn)他們的“人工信號”，定位他們的藏身之處。未來，在FAST的幫助下，人類找到地外文明的幾率會更高。

隨著FAST投入使用，射電天文學即將進入一個新的發(fā)展階段。在FAST的幫助下，科學家們有機會在茫茫宇宙中搜尋到外星人發(fā)送的無線電波；還可能會發(fā)現(xiàn)更多奇怪的天體和奇異的現(xiàn)象，比如一個脈沖星和一個黑洞結(jié)對的現(xiàn)象；甚至可能會窺探到暗能量、暗物質(zhì)的秘密。讓我們期待FAST的精彩表現(xiàn)。