射電天文學(xué)與FAST望遠(yuǎn)鏡

陳厚尊

最近，伴隨著一則振奮人心的新聞，“射電望遠(yuǎn)鏡”和“射電天文學(xué)”兩個(gè)名詞悄然走進(jìn)了普通民眾的視野。這則新聞是這樣的：

2016年7月3日上午，位于中國(guó)貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼（讀作dàng，意為塘、水坑）的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST，F(xiàn)ive hundredmeters Aperture Spherical radio Telescope）的最后一塊三角形反射鏡面開始起吊，并在索網(wǎng)上面安放到位。至此，F(xiàn)AST球面上的全部4450塊反射鏡面均已安裝完畢，望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)和組裝工作宣告結(jié)束，接下來將進(jìn)入調(diào)試階段，并于2016年9月正式投入使用。屆時(shí)，F(xiàn)AST的超高靈敏度和高分辨率將助力中國(guó)的射電天文學(xué)邁向世界前列。同樣是掛著“望遠(yuǎn)鏡”的名號(hào)，F(xiàn)AST卻與我們?nèi)粘Ｊ煜さ奶煳耐h(yuǎn)鏡有很大不同。首先，F(xiàn)AST 的口徑非常大， 達(dá)到了500米，即便是觀測(cè)時(shí)的瞬時(shí)有效口徑也達(dá)到了300米。而地面上的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡口徑一般很難超過10米，否則因鏡片自身的重量引發(fā)的鏡面變形對(duì)其成像質(zhì)量會(huì)有顯著影響。其次，F(xiàn)AST似乎被固定在了一個(gè)大山坳里，而不是像天文望遠(yuǎn)鏡那樣被安裝在某種腳架上。即使是德國(guó)的口徑100米的玻恩射電望遠(yuǎn)鏡，也有一個(gè)可以令其“擺頭”的支架。那么，F(xiàn)AST究竟是一臺(tái)怎樣的設(shè)備，又能在哪些領(lǐng)域幫助中國(guó)的天文學(xué)家取得領(lǐng)先世界的成果呢？為了了解這些，先讓我們一起回顧天文學(xué)領(lǐng)域中相對(duì)年輕的一門分支學(xué)科：射電天文學(xué)。

這是一幅FAST望遠(yuǎn)鏡在組裝工作臨近完成時(shí)的航拍實(shí)景圖，可以看到它龐大的主體被黔南群山環(huán)繞。十幾年前，僅有幾十戶村民住在這兒，而且不通電，老百姓的生活基本與現(xiàn)代文明隔絕。

現(xiàn)代物理學(xué)起源于牛頓在1687年出版的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》一書，化學(xué)起源于中國(guó)的煉丹術(shù)和西方的煉金術(shù)，微生物學(xué)起源于列文·虎克發(fā)明的顯微鏡，但沒有人能說清楚天文學(xué)何時(shí)何地起源于何人的研究。歷史上，幾乎所有的古文明都曾經(jīng)獨(dú)立地發(fā)展過自己的天文學(xué)，只是，當(dāng)時(shí)的視界必然受限于那個(gè)年代的觀測(cè)手段，而這種局限性在天文學(xué)的發(fā)展史上表現(xiàn)得尤為突出?？傮w來講，人類天文學(xué)史上總共有三次觀測(cè)手段的革新。首先是1610年，意大利物理學(xué)家兼天

文學(xué)家伽利略發(fā)明了第一臺(tái)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，使人類得以突破自身生理局限（正常人在暗夜中瞳孔能夠張開的最大口徑，為七八毫米），大幅提高了人們?cè)诳梢姽獠ǘ蔚募饽芰?。目前，?jīng)過了300多年的技術(shù)發(fā)展，以哈勃空間望遠(yuǎn)鏡為代表的頂尖儀器已經(jīng)能夠令我們觀察到宇宙大爆炸后最早一批誕生的星系。如此不可思議的成就令人類引以為傲的同時(shí)，也證明了可見光天文學(xué)有其自身的極限，在未來難有前沿性的突破。

天文觀測(cè)手段的第二、第三輪革新是有關(guān)聯(lián)的，它們都源于19世紀(jì)麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論。當(dāng)時(shí)，麥克斯韋敏銳地指出了光其實(shí)是一類波長(zhǎng)范圍極其狹窄的電磁波，在可見光之外，自然界或許還存在其他波長(zhǎng)的電磁波。這樣的預(yù)言仿佛開啟了一扇通往巨大未知世界的窗戶，人們迫切地想知道那些比紅光波長(zhǎng)更長(zhǎng)，或者比紫光波長(zhǎng)更短的“不可見光”的世界是什么樣的。只是，要想突破十幾億年來的生物進(jìn)化限制，去自由感受不同波長(zhǎng)的世界談何容易。地球上的生命選定波長(zhǎng)0.4微米至0.7微米的電磁波作為可見光有其背后的原因，那就是我們的太陽。它最強(qiáng)的能量輻射段正好落于可見光的中心：黃光波段。在自然界中，唯有像恒星內(nèi)部的核聚變那樣的物理過程才可能產(chǎn)生可見光，因而在夜空中能被人們直接觀察到的目標(biāo)大都是恒星、星系，或者是被恒星光芒激發(fā)的星云等。然而，宇宙中的絕大部分地方顯然都不具備恒星內(nèi)部的物理環(huán)境，而是處在某種低溫、空曠的亞真空狀態(tài)。那里的亞真空比地球上最好的實(shí)驗(yàn)室能夠制造的真空還要空。根據(jù)維恩定律，那是毫米波、厘米波，甚至米波的世界。射電天文學(xué)由此初露端倪。

最早辨識(shí)出天文學(xué)的無線電波源完全是個(gè)意外。那是在20世紀(jì)30年代早期，美國(guó)貝爾公司的研究員卡爾·央斯基在使用巨大的定向天線研究短波噪聲的分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天線逐漸靠近銀河方向時(shí)電磁干擾逐漸增大，并且在人馬座方向達(dá)到極值。他還發(fā)現(xiàn)這種噪聲干擾會(huì)隨地球自轉(zhuǎn)，于23小時(shí)56分鐘（一個(gè)恒星日）內(nèi)完成一輪周期性變化。他最終得出結(jié)論，認(rèn)為這種始終存在的短波本底噪聲應(yīng)當(dāng)是來自銀河系的某種赫茲波。奇怪的是，他當(dāng)時(shí)并沒有在短波噪聲里發(fā)現(xiàn)太陽的蹤跡。直到數(shù)年后，第二次世界大戰(zhàn)進(jìn)行得如火如荼之際，一位英國(guó)的陸軍研究員才在甚高頻軍用雷達(dá)中監(jiān)測(cè)到了來自太陽的強(qiáng)烈電磁干擾。而在此之前，天文學(xué)家已經(jīng)尋找太陽的射電信號(hào)很多年了，均沒有收獲。這一消息直到1946年才公之于眾。天文學(xué)家查閱了當(dāng)時(shí)太陽的活動(dòng)記錄，得知那幾天恰巧有一枚大黑子經(jīng)過日輪中心。這次的意外證明了兩件事：第一，前人明顯低估了太陽的射電發(fā)射頻率，當(dāng)然，其中還有甚高頻雷達(dá)制造技術(shù)上的困難;第二，太陽的射電干擾與日面活動(dòng)的光學(xué)現(xiàn)象是有聯(lián)系的。自此以后，英聯(lián)邦國(guó)家陸續(xù)開展了一系列針對(duì)太陽的射電觀測(cè)

工作，基本弄清了太陽在射電波段輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律。

“二戰(zhàn)”結(jié)束以后，同射電天文學(xué)蓬勃發(fā)展相呼應(yīng)的是X射線和伽馬射線天文學(xué)的興起。不過，由于地球大氣的觀測(cè)窗口制約，這兩門學(xué)科必須借助火箭的力量將觀測(cè)儀器送往宇宙空間。這無疑大大提高了該領(lǐng)域的研究成本。不過，最終結(jié)果是非常值得的。X射線和伽馬射線是比可見光波長(zhǎng)短得多的電磁波，因而常常與某些極端暴烈的物理過程相聯(lián)系，例如超新星爆發(fā)、致密星體碰撞、黑洞吸積等等。激烈的物理環(huán)境常常蘊(yùn)含著物理學(xué)的新知，因此該領(lǐng)域成為天文學(xué)家

趨之若鶩的對(duì)象也就不足為奇了。值得一提的是，眼下我們正在經(jīng)歷第四次天文觀測(cè)手段的革新。這便是引力波的加盟，它極有可能為我們帶來宇宙深處關(guān)于黑洞合并、暗物質(zhì)構(gòu)成等方面的信息，并且引發(fā)新一輪顛覆性的天文認(rèn)知巨變。未來結(jié)果如何，我們拭目以待。

我們回到射電天文學(xué)的發(fā)展歷程上來?？v觀20世紀(jì)天文學(xué)領(lǐng)域拿到的9次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，射電天文學(xué)就有5次，超過一半。它們分別是：1974年脈沖星的發(fā)現(xiàn)、1974年孔徑綜合技術(shù)的發(fā)明、1978年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)、1993年脈沖雙星與引力波輻射、2006年宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性。

曾幾何時(shí)，一說起諾貝爾獎(jiǎng)，射電天文學(xué)家都是非常自豪的。事實(shí)上，射電天文學(xué)的強(qiáng)大威力是在前輩不斷摸索的過程中被慢慢揭示出來的。在射電天文學(xué)的發(fā)展初期，同許多新興學(xué)科一樣，極少有人看好它，其原因主要是在觀測(cè)的分辨率方面。針對(duì)電磁波的匯聚系統(tǒng)，有一個(gè)著名的瑞利判據(jù)：θ=1.2 2λ/D。

其中，θ代表儀器的最小分辨角，λ代表電磁波波長(zhǎng)，D代表儀器口徑。針對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡，假設(shè)其有效口徑為10米，在中性氫的21厘米波段工作，則很容易計(jì)算出該儀器在天球上的分辨率約為1.5°，覆蓋面相當(dāng)于9個(gè)太陽的視面積！如此看來，即便是利用大型射電望遠(yuǎn)鏡巡天，那效果也好像是一個(gè)高度近視患者的視野，分辨率之低令人很難將天球上的射電源同星圖目標(biāo)一一對(duì)應(yīng)起來。后來，英國(guó)著名天文學(xué)家馬丁·賴爾利用孔徑綜合技術(shù)一舉破解了這個(gè)難題。他發(fā)現(xiàn)射電望遠(yuǎn)鏡與傳統(tǒng)設(shè)備不同，它可以在工作的時(shí)候同時(shí)記錄下電波的相位信息。于是，他想到了利用相距遙遠(yuǎn)的兩架望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測(cè)的方法來提高目標(biāo)分辨率。這就使得射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率水平一舉超越了傳統(tǒng)的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，理論上甚至可以達(dá)到后者的1萬倍！今天，我們已經(jīng)能夠利用甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（VLBI，Very Large Baseline Interferometry）的眾多射電望遠(yuǎn)鏡陣列，來追蹤距離銀心黑洞僅數(shù)百個(gè)天文單位的恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡。

另外，同傳統(tǒng)的天文學(xué)相比，射電天文學(xué)還有兩個(gè)無與倫比的先天優(yōu)勢(shì)：第一，不受太陽和天氣的影響，可全天候工作;第二，反射面的加工要求相對(duì)寬松。第一條初看起來很不可思議。普通人往往有一個(gè)牢不可破的成見，認(rèn)為天文學(xué)家只能在晴朗而漆黑的夜晚工作。其實(shí)不然。前面也提到了，在20世紀(jì)30年代，人們首先在射電波段注意了銀河系輻射的存在，之后才在太陽活動(dòng)爆發(fā)的時(shí)候偶然察覺到了太陽的射電輻射。盡管后來科學(xué)家證實(shí)太陽在“平靜期”也存在微弱的射電輻射，但與來自銀河方向的強(qiáng)烈信號(hào)相比，簡(jiǎn)直可以忽略不計(jì)。天氣方面也是如此，除非是那種四周電閃雷鳴的惡劣雷暴，否則很難影響到射電望遠(yuǎn)鏡的正常工作。至于第二條我們需要了解的事實(shí)是：一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的反射面加工精度往往制約了它的工作波長(zhǎng)。舉個(gè)例子：若要在觀測(cè)波長(zhǎng)為λ的電磁波上獲得足夠高的信噪比，反射面的誤差不能超過λ/16。對(duì)應(yīng)到射電領(lǐng)域，這個(gè)數(shù)值往往在毫米量級(jí)上。與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡動(dòng)輒幾十個(gè)納米的精度要求相比，這已經(jīng)算是容易做到的了。不過值得注意的是，射電天文學(xué)的第一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在20世紀(jì)中期還比較突出，可是近年來，隨著各類電器和無線電技術(shù)的普及，地球上的無線電環(huán)境也在逐年惡化中。同舉目可見的光害不一樣，除非是相關(guān)從業(yè)者或愛好者，否則無線電環(huán)境的惡化是常人難以察覺的?，F(xiàn)任FAST總工程師的南仁東教授就曾坦言，要說FAST真正讓人不放心之處，就是今后附近能否保持絕對(duì)的無線電靜默。據(jù)說FAST項(xiàng)目在初建的時(shí)候，單是為了說服當(dāng)?shù)卣灰诟浇笏僚d建觀光設(shè)施，參觀者也不允許攜帶手機(jī)等這些事情上就遇到了很大的阻力，許多人不能理解1000米外的一個(gè)小小的手機(jī)會(huì)對(duì)眼前的龐然大物有什么損害。其實(shí)這方面早有前車之鑒。河北興隆的郭守敬望遠(yuǎn)鏡LAMOST）項(xiàng)目就因選址不當(dāng)，以及當(dāng)?shù)卣笈d土木等原因而深受光污染的影響，導(dǎo)致其建成數(shù)年后一直無法達(dá)到設(shè)計(jì)之初預(yù)想的效果。這類事件應(yīng)當(dāng)引起有關(guān)部門的足夠重視。許多科研項(xiàng)目并不是說花了錢就能辦成的，配套措施一定要到位，政策一定要傾斜，不然國(guó)家花重金建造的巨型科研設(shè)備最終只能淪為大而無用的“藝術(shù)品”，不僅令納稅人寒心，也令國(guó)外同行恥笑。

1963年11月1日，位于波多黎各的美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡正式建成，一直到今天它都是世界上最大的單面射電望遠(yuǎn)鏡，口徑305米，依托波多黎各的碗狀喀斯特地形而建。由于阿雷西博的反射面本身不能運(yùn)動(dòng)，因而只能通過改變接收裝置的位置來掃描天頂附近一個(gè)寬約20°的帶狀區(qū)域。即便如此，它的極高靈敏度還是為天文學(xué)家?guī)砹嗽S多重大發(fā)現(xiàn)。其中最激動(dòng)人心的便是1974

年泰勒與赫爾斯發(fā)現(xiàn)的第一對(duì)射電脈沖雙星，他們利用其檢驗(yàn)了愛因斯坦的引力波輻射預(yù)言，結(jié)果同廣義相對(duì)論的計(jì)算完全一致。兩人因此獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

中國(guó)的FAST項(xiàng)目靈感源于美國(guó)的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，卻并非它的簡(jiǎn)單翻版。FAST克服了阿雷西博反射面無法運(yùn)動(dòng)的先天缺憾。在計(jì)算機(jī)自動(dòng)程序的幫助下，F(xiàn)AST能在觀測(cè)瞬間在500米的巨型球面上自動(dòng)生成一面口徑略小的300米拋物形反射面。這樣一來，F(xiàn)AST不僅大大擴(kuò)展了自身的觀測(cè)范圍（在天頂附近達(dá)到40°）， 還能主動(dòng)抵消地球的自轉(zhuǎn)效應(yīng)。這個(gè)過程雖然在原理上來說很簡(jiǎn)單，可若要付諸實(shí)踐，技術(shù)難度必然不小。前面提到過，射電望遠(yuǎn)鏡反射面的容許誤差通常

都在毫米量級(jí)。可是對(duì)于直徑500米的FAST，光是反射面支撐結(jié)構(gòu)在冬夏兩季的熱脹冷縮引起的變化都要30多厘米，要保證300米的反射面在位置調(diào)整的時(shí)候誤差不超過1毫米，其工程難度可想而知。令人欣喜的是，F(xiàn)AST項(xiàng)目中所有的關(guān)鍵技術(shù)均為中國(guó)自主創(chuàng)新，并申請(qǐng)了相關(guān)技術(shù)專利。在未來，等FAST全面投入使用之后，將陸續(xù)在中性氫觀測(cè)、暗弱脈沖星和射電源的尋找、宇宙起源與星際物質(zhì)結(jié)構(gòu)、地外文明搜索等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)科學(xué)突破。有網(wǎng)友戲稱FAST為現(xiàn)實(shí)版的“紅岸基地”。實(shí)際上，對(duì)比《三體》中描述的情形，現(xiàn)實(shí)中FAST的靈敏度至少是紅岸雷達(dá)的10倍以上。而由FAST代表人類文明發(fā)出的一聲啼鳴，至少在信號(hào)的發(fā)射方向和波段上，有能力使地球成為銀河系最明亮的星辰。

那么，若拋卻科幻小說返回現(xiàn)實(shí)世界，人類同外星世界的第一次接觸會(huì)不會(huì)由中國(guó)的FAST來完成呢？我們有理由去期待！