用“天眼”探秘宇宙 人類能找到外星文明嗎

錢磊

世界最大射電望遠鏡FAST于2016年投入使用，雖然我國的天文技術(shù)發(fā)展起步較晚，但進步很快， 它能讓科學家有哪些新發(fā)現(xiàn)呢？

FAST，也叫作天眼，全稱是500米口徑球面射電望遠鏡。所謂射電，就是來自宇宙的無線電。如果無法理解什么是射電望遠鏡，就把射電望遠鏡理解為大號的電視天線就可以。只不過射電望遠鏡有可能接收到“外星文明”的電視信號。

它坐落于我國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村，全稱是500米口徑球面射電望遠鏡。

為什么要把FAST建在一個偏遠的地方呢？有幾個原因，首先，偏遠的地方人類活動少，對望遠鏡觀測的干擾少。在望遠鏡選址的時候，F(xiàn)AST周圍的電磁干擾確實少。不過考慮到FAST周邊城鎮(zhèn)的高速發(fā)展，現(xiàn)在FAST的電磁環(huán)境保護也面臨比較大的壓力。其次，把FAST建在這個地方的另一個原因就是這里的喀斯特地形。如果到過貴州省的這一片地區(qū)，就會發(fā)現(xiàn)這里有很多洼地，而且很多都接近一個球冠，如果把一個球面望遠鏡放到這些洼地里，形狀差不多剛剛好，不用挖太多的土石方，這對一個工程來說非常重要。第三，如果大家到過這個地區(qū)就會發(fā)現(xiàn)，雖然這里雨水很多，但是地面上幾乎沒有河和湖，水都在地下河里，基本上下多大的雨，洼地里也不會積水，這對于望遠鏡的安全運行非常重要。

把一個500米口徑的球面反射面放到一個喀斯特洼地里是不是就可以了？不是，如果要實現(xiàn)聚焦，我們必須想一些辦法。美國的Arecibo望遠鏡也坐落在喀斯特洼地里，也是球面，實現(xiàn)了聚焦，但是通過復(fù)雜的光路實現(xiàn)的。這帶來的問題是支撐饋源艙的平臺很大、很重。放大到FAST這樣的尺度，這個平臺的重量會達到一萬噸，這是不太現(xiàn)實的。所以FAST的聚焦需要拋物面。為了實現(xiàn)這一點，F(xiàn)AST的反射面必須主動變形。

一臺望遠鏡能觀測什么取決于和觀測有關(guān)的一些因素。其中包括但不限于靈敏度、空間分辨率、時間分辨率、頻率分辨率、帶寬、積分時間、地理位置、天頂角、人力及思想。拋開積分時間、帶寬等因素，評價一臺望遠鏡的本征靈敏度可以用有效接收面積除以系統(tǒng)溫度。所以要想本征靈敏度高，有效接收面積要大，系統(tǒng)溫度要低。

其實，科學家們一度對FAST的這個指標沒有信心，覺得大概達到1600平方米每開爾文都很困難。但現(xiàn)在看來2000平方米每開爾文是可以達到的。有效接收面積當然不能增大，主要是系統(tǒng)溫度降低了，近年來，世界上的接收機技術(shù)進步了。FAST在1.4 GHz的波束寬度是2.9角分，滿月的寬度是30角分，人眼的分辨率大約是0.3角分。所以從看清楚的角度來說，F(xiàn)AST不如人眼，不過已經(jīng)很不錯了，很多射電望遠鏡看月亮都只是一個點。望遠鏡能觀測什么，自身因素固然重要，但如果人不能把望遠鏡用好，那望遠鏡能做的事也很有限。

為了回答FAST能看點啥？我們先來看看歷史上，射電望遠鏡都看了點啥。總結(jié)起來即為，脈沖星、中性氫、分子譜線。這也正是FAST三個重要的科學目標。

雖然根據(jù)歷史經(jīng)驗，重要的發(fā)現(xiàn)通常是未知的未知，但是我們能做的還是從已知的未知開始。我們知道FAST能觀測的科學目標有銀河系內(nèi)的中性氫、銀河系外其他星系中的中性氫、脈沖星、分子譜線、快速射電暴、外星文明以及未知的未知。

現(xiàn)在已經(jīng)有對銀河系及附近中性氫分布的成圖。

FAST可以對部分天區(qū)進行更細致的觀測，幫助我們看得更清楚，看到更多結(jié)構(gòu)。河外星系中的中性氫可以示蹤一些可見光看不見的結(jié)構(gòu)，比如潮汐作用造成的“尾巴”。中性氫還可以看到可見光看不到的星系間的相互作用。

銀河系和河外星系里還有一些別的譜線，比如河外星系中的脈澤，也就是微波波段的激光。激光的特點是什么？在這里，最有用的特點就是亮和單色性好。亮，使得我們可以測量距離很遠的源。單色性好，使得我們可以精確測量星系的紅移。

脈沖星是一種發(fā)出周期性脈沖的天體，這種周期性是由于轉(zhuǎn)動造成的，類似于燈塔。大部分脈沖星發(fā)出射電脈沖，可以用FAST觀測。脈沖星是一部分中子星，很多中子星不發(fā)出脈沖，或者輻射束不掃過地球，不產(chǎn)生脈沖。脈沖星個頭不大，半徑10千米，大概是一座城市的大小，不過脈沖星質(zhì)量不小，質(zhì)量和太陽相當。

中子星是大質(zhì)量恒星塌縮形成的，就是把恒星物質(zhì)壓縮到一個小體積中。微觀上看，就是把原子核和原子核擠到一起，把原子里的空間都填滿?，F(xiàn)在FAST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了50多顆脈沖星了?；蛟S未來我們能確定快速射電暴的來源，也或許能發(fā)現(xiàn)脈沖星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)，這些都算是已知的未知。

而那些未知的未知可能用時域——頻域聯(lián)合分析才能發(fā)現(xiàn)。信號就是沙子里面的金子，自然的信號通常是簡單優(yōu)雅的，各種調(diào)制信號通常是人為造成的。不知道外星文明是不是也像我們一樣對信號進行各種調(diào)制，大概率是的。所以外星文明搜尋將面對人工調(diào)制+星際介質(zhì)調(diào)制的信號，這是未來要解決的問題。

來源|科學網(wǎng)博客