百科：望向宇宙深處的中國“天眼”

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，搜尋奇異的天體，甚至開展對地外文明的探索。中國“天眼”的開啟，還將為射電天文學(xué)的發(fā)展帶來新的機遇。
　　時代呼喚“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，美國貝爾實驗室的電器工程師央斯基用天線發(fā)現(xiàn)了一個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天線，它的主體是一個直徑約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)運而生，這就是射電天文學(xué)。
　　人們早就意識到，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·休伊什用一臺射電望遠(yuǎn)鏡接收到了4個奇怪的脈沖信號。經(jīng)過多方求證，他們終于意識到，那些脈沖信號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，它們在體積縮小時會高速旋轉(zhuǎn)，那些能量輻射不時會在旋轉(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大的射電望遠(yuǎn)鏡。人們意識到，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射電巨鏡FAST的原因之所在。
　　應(yīng)運而生的FAST
　　FAST借助一個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，其邊框為環(huán)形鋼梁，眾多鋼索依托鋼梁懸垂交錯，構(gòu)成一個球形網(wǎng)，用以支撐FAST巨大的反射鏡。這個反射鏡的總面積約25萬平方米，相當(dāng)于30個足球場的總合。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是對我國望遠(yuǎn)鏡設(shè)計和制造技術(shù)的一次嚴(yán)格檢驗，因為FAST要把覆蓋30個足球場的信號聚集在藥片大小的空間里。要實現(xiàn)這樣毫米級的精度，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的天線鍋是一個標(biāo)準(zhǔn)的球形，在工作的時候，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，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，這個號稱“天眼”的射電望遠(yuǎn)鏡會給我們帶來怎樣的發(fā)現(xiàn)呢？要回答這個問題，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，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，脈沖信號時而早一點，時而晚一點，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行的最小的行星。多數(shù)人都認(rèn)為脈沖星不會擁有行星，然而沃爾茲剛的發(fā)現(xiàn)否定了這種觀點。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“超級巨眼”才能做到，在它長達(dá)半個世紀(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)鏡對這個雙星系統(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)果與廣義相對論計算的結(jié)果十分相符，從而證實了引力波的存在。1993年，泰勒和赫爾斯雙雙榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

　　在遼闊的宇宙中尋找智慧生命，這是人們從事了半個世紀(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，因為射電波以光速傳播，效率高，速度快，是最切實可行的辦法。
　　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”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”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會為我們帶來什么？
　　相對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，因為它的接收能力更強，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的強大功能完全能滿足人們的這個愿望，因為它有能力在“河外星系”中發(fā)現(xiàn)脈沖星。FAST能在一年時間里發(fā)現(xiàn)數(shù)千顆脈沖星，它將建立一個脈沖星計時陣，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)類星體是一種非常活躍的早期星系，被稱為活動星系，它們離我們非常遙遠(yuǎn)，且擁有一個非常明亮的核。這個不可思議的核是怎么來的呢？原來，在活動星系中隱藏著一個高速旋轉(zhuǎn)的“超大質(zhì)量黑洞”，正是這個黑洞的巨大引力“點燃”了活動星系中的密集物質(zhì)，從而使活動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)，然而人們至今對它們的了解還非常不足，所以FAST對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，它用多個天文望遠(yuǎn)鏡同時觀測一個天體，模擬一個大小相當(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)對空間目標(biāo)，包括衛(wèi)星、空間碎片等進(jìn)行監(jiān)視和成像。

　　事實上，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)”是獨一無二的。例如FAST的球面由幾千面主動反射單元構(gòu)成，每個單元都可以對焦，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，只能通過改變天線饋源的位置掃描天空中的一個帶狀區(qū)域，而FAST則能掃描更廣闊的天空，這種獨到之處也將大大提高它的觀測能力。
　　作為一架世界頂級巨鏡，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，它是推動天文學(xué)向前發(fā)展的重要動力，也把人類對自然世界的認(rèn)知能力不斷地帶往新的高度。可以預(yù)測，F(xiàn)AST必將不辱使命，為射電天文學(xué)的發(fā)展帶來全新的機遇。
　　【責(zé)任編輯】龐 云