“中國天眼”是如何觀宇宙的

顏瑞玨

位于貴州省平塘縣大窩凼的“中國天眼”，簡稱為FAST，是目前全球最大且最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，綜合性能是其他射電望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，能夠接收到100多億光年以外的電磁信號，極大拓展了人類對宇宙的觀測極限。那么，我們?yōu)楹我ㄔ烊绱酥按蟆钡纳潆娡h(yuǎn)鏡？“中國天眼”又是如何觀測星空的？

當(dāng)前人們探知宇宙天體信息的渠道主要有4種：電磁輻射、宇宙線、中微子和引力波。其中，電磁輻射是最為古老也最為主要的探測手段，望遠(yuǎn)鏡便是我們認(rèn)識廣袤宇宙的至關(guān)重要的儀器。我們知道，電磁波遠(yuǎn)不限于可見光，然而并非所有波段的電磁波都能到達(dá)地球表面，地球大氣阻擋了來自宇宙空間的大部分電磁輻射，僅可見光和一部分紅外線以及射電波段的電磁輻射能到達(dá)地球表面，光學(xué)和射電這兩個大氣透明窗口便成為天文學(xué)觀測的重要波段。

人們對于可見光波段的觀測歷史悠久，17世紀(jì)初，伽利略首次將望遠(yuǎn)鏡伸向星空。20世紀(jì)30年代，無線電工程師偶然發(fā)現(xiàn)了宇宙中的射電信號，此后，射電天文學(xué)逐漸發(fā)展起來。20世紀(jì)60年代，天文學(xué)觀測中極為重要的“四大發(fā)現(xiàn)”：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機(jī)分子，都與射電望遠(yuǎn)鏡有關(guān)?？梢哉f，射電望遠(yuǎn)鏡在當(dāng)今天文學(xué)的研究中至關(guān)重要。

天文望遠(yuǎn)鏡最主要的參數(shù)是望遠(yuǎn)鏡的口徑，望遠(yuǎn)鏡的口徑?jīng)Q定了望遠(yuǎn)鏡的極限角分辨率和集光能力。

極限角分辨率說的是儀器能分辨的最小細(xì)節(jié)的能力。點(diǎn)光源經(jīng)過光學(xué)儀器后，由于衍射的影響，所成的像不是一個點(diǎn)，而是一個明暗相間的圓形光斑，即艾里斑。當(dāng)一個艾里斑的中心與另一個艾里斑的第一級暗環(huán)重合時，剛好能分辨出兩個像，由此給出光學(xué)儀器的最小分辨角。望遠(yuǎn)鏡的極限角分辨率由瑞利判據(jù)給出，儀器的最小分辨角與儀器口徑成反比，與觀測波長成正比，即口徑越大，極限角分辨率越高，對于相同的角分辨率要求，觀測波長越長，則對儀器的口徑要求越大。同時，由于受到大氣湍流等因素影響，大口徑望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際分辨率常小于其極限分辨率。中國天眼的觀測頻段在70MHz～3GHz，為射電波段。射電波段波長約為光學(xué)波段波長的上百萬倍，因此我們需要將射電望遠(yuǎn)鏡建造得如此之巨大。

除提高分辨能力外，望遠(yuǎn)鏡的另一個作用便是增加聚光，即增加我們能接收到的光子總數(shù)，體現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。望遠(yuǎn)鏡聚光的能力稱為望遠(yuǎn)鏡的集光能力。望遠(yuǎn)鏡的集光能力與口徑的平方成正比，與望遠(yuǎn)鏡的焦距無關(guān)。因此，為觀測宇宙深處的微弱信號，也要求建造超大口徑的望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)然，望遠(yuǎn)鏡的靈敏度還受到諸多因素的影響，包括反射面的材料、組裝設(shè)計等，同時為了使得如此巨大的望遠(yuǎn)鏡能實(shí)現(xiàn)跟蹤觀測等功能，“中國天眼”團(tuán)隊(duì)在技術(shù)上攻堅克難，使得“中國天眼”的綜合性能是此前被稱為“美國天眼”的350米口徑的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的10倍。

“中國天眼”于2016年9月落成啟用，2017年10月首次發(fā)現(xiàn)兩顆新脈沖星，截至目前已發(fā)現(xiàn)脈沖星300余顆。人類首次發(fā)現(xiàn)脈沖星是在1967年，50多年來，人類總共發(fā)現(xiàn)的脈沖星約2700顆。脈沖星在星體坍縮、磁層粒子加速機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域及星際導(dǎo)航等應(yīng)用研究方面都具有極其重要的意義。搜尋和發(fā)現(xiàn)脈沖星是“中國天眼”的核心科學(xué)目標(biāo)，包括銀河系內(nèi)脈沖星的探尋，以及對仙女座大星系（距銀河系最近的河外星系）進(jìn)行跟蹤觀測，以期捕獲銀河系外的第一顆脈沖星。

銀河系中大量的脈沖星因其信號暗弱，目前觀測到的只是其中很小一部分，而“中國天眼”的超高靈敏度則是發(fā)現(xiàn)脈沖星的一大利器。“中國天眼”已發(fā)現(xiàn)的脈沖星，大部分來源于一種叫漂移掃描的觀測模式。漂移掃描可以被稱為“盲搜”，就像我們夜晚掃視星空一樣。結(jié)合深度學(xué)習(xí)人工智能，天文學(xué)家可以對海量巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行快速搜索。另一種常用觀測模式叫跟蹤，就像我們盯著一顆星星看。對仙女座大星系中性氫成像和脈沖星的搜尋，一方面是為了進(jìn)一步揭秘距銀河系最近的代號M31的這個河外星系，另一方面天文學(xué)家希望通過跟蹤來捕獲銀河系外的第一顆脈沖星。

“中國天眼”還以其超高的靈敏度優(yōu)勢，通過盲搜發(fā)現(xiàn)了來自宇宙深處的快速射電暴新源。該源展現(xiàn)出極為罕見的三峰結(jié)構(gòu)。根據(jù)其高色散量估算，該信號可能來自距地球約百億光年的宇宙深處?？焖偕潆姳┦且环N持續(xù)僅數(shù)毫秒的未知射電暴發(fā)現(xiàn)象，當(dāng)前人們對其了解還極其有限，對于其如何產(chǎn)生、究竟在哪兒發(fā)生都知之甚少?！爸袊煅邸钡母哽`敏度特性有望捕捉到更多的快速射電暴，探測到快速射電暴的更多細(xì)節(jié)信息，揭開快速射電暴的來源之謎。

此外，“中國天眼”承擔(dān)的主要科學(xué)任務(wù)還包括：巡視宇宙中性氫，天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)研究，星際分子探測，及搜索可能的星際通信信號?！爸袊煅邸泵嫦蛉蚩茖W(xué)界開放申請，向世界表明了中國開放包容的大國姿態(tài)，在探索未知宇宙的道路上，只有充分匯集各方智慧，精誠合作，取長補(bǔ)短，才能讓這只巨大的天眼發(fā)揮出更加強(qiáng)大的威力。

◎ 來源|科普時報