你了解“中國(guó)天眼”FAST嗎

2016年9月25日，500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡(jiǎn)稱為FAST）在貴州省平塘縣正式建成。FAST被稱為“中國(guó)天眼”，它是目前世界上最大最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。這樣一個(gè)“巨無(wú)霸”有什么過(guò)人之處，又有哪些用途，你知道嗎？

射電望遠(yuǎn)鏡知多少

說(shuō)起望遠(yuǎn)鏡，我們第一印象都是那種長(zhǎng)筒形的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。但射電望遠(yuǎn)鏡與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的外形截然不同，射電望遠(yuǎn)鏡在外觀上完全像雷達(dá)天線。此外，射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分別處理波長(zhǎng)不同的電磁波，射電望遠(yuǎn)鏡接收的是無(wú)線電波，而光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收的是可見(jiàn)光。

射電望遠(yuǎn)鏡使用鏡面反射無(wú)線電波。無(wú)線電波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，故而對(duì)鏡面的精度要求較低。射電望遠(yuǎn)鏡使用拋物面天線將無(wú)線電波反射匯聚到一個(gè)焦點(diǎn)上，利用接收機(jī)接收放大并轉(zhuǎn)換為更直觀的數(shù)據(jù)。1931年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室使用雷達(dá)天線接收到銀河系中心的無(wú)線電波，后來(lái)，美國(guó)天文學(xué)家格羅特·雷伯專門制造了一部天線用于觀測(cè)天空，射電望遠(yuǎn)鏡和射電天文學(xué)應(yīng)運(yùn)而生。

為什么要這么大

500米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡給人的第一印象是大，一般人繞著它走一圈需要數(shù)十分鐘，而鏡面接收面積則相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)那么大。FAST利用了貴州獨(dú)特的天然喀斯特洼地地形，這種得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，讓它突破了普通射電望遠(yuǎn)鏡百米口徑的工程極限，也使得它能確保未來(lái)幾十年的領(lǐng)先地位。畢竟它的前輩——美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡依托地形創(chuàng)造的305米口徑紀(jì)錄，就已經(jīng)獨(dú)步世界幾十年了。

千方百計(jì)將射電望遠(yuǎn)鏡做這么大，其實(shí)是因?yàn)橛衅惹械目茖W(xué)需求。為了接收和區(qū)分遙遠(yuǎn)星體發(fā)出的微弱的無(wú)線電波，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑逐漸增加。更大的口徑意味著更大的接收面積，也就能匯聚到更多的電波，從而具備了更高的靈敏度。FAST比德國(guó)波恩的100米口徑射電望遠(yuǎn)鏡的靈敏度提高約10倍，與被評(píng)為人類20世紀(jì)十大工程之首的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST的靈敏度提高約2.25倍，綜合性能提高約10倍。高靈敏度的FAST可以“傾聽(tīng)”到宇宙大爆炸早期的電波，為我們重建宇宙早期的圖像提供依據(jù)。

你不知道的新技術(shù)

——主動(dòng)反射面技術(shù)

拋物面可以把電磁波匯聚在一個(gè)點(diǎn)上，而球面只能把電磁波匯聚在一條線上。為了進(jìn)行觀測(cè)，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)了二次鏡反射的饋源艙，將信號(hào)匯聚在一個(gè)點(diǎn)上，但這個(gè)饋源艙重達(dá)數(shù)百噸，設(shè)計(jì)制造和維護(hù)都極其麻煩。

FAST使用了主動(dòng)反射面技術(shù)來(lái)解決電磁波匯聚的問(wèn)題，這也是FAST最大的自主創(chuàng)新技術(shù)。FAST的球面反射鏡由近萬(wàn)根鋼索組成主體結(jié)構(gòu)，具有2400個(gè)連接節(jié)點(diǎn)和4600個(gè)反射單元。它通過(guò)節(jié)點(diǎn)下方的下拉索和促動(dòng)器可以調(diào)整每一個(gè)反射單元的位置，從而具備主動(dòng)調(diào)整反射鏡面的能力。這樣一來(lái)，當(dāng)我們想觀測(cè)某一方向的目標(biāo)時(shí)，只需要調(diào)整對(duì)著這個(gè)目標(biāo)范圍內(nèi)的反射單元，構(gòu)成一個(gè)局部的拋物面反射鏡面就可以了。正是因?yàn)槭褂昧诉@種獨(dú)特的主動(dòng)反射面技術(shù)，F(xiàn)AST可以觀測(cè)天頂約40度角范圍的天空，而阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡只能覆蓋天頂約20度角范圍的天空。盡管主動(dòng)反射面技術(shù)解決了問(wèn)題，卻也讓FAST付出了一定代價(jià)，它的口徑雖然達(dá)500米，但其實(shí)際觀測(cè)的等效口徑只有300米。不過(guò)鑒于FAST靈活的觀測(cè)能力，付出這樣的代價(jià)也是值得的！

開啟更深入的宇宙探索

作為當(dāng)今最大最先進(jìn)的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST不僅能用來(lái)進(jìn)行天文觀測(cè)，還能參與對(duì)地外文明的搜尋，以及作為深空探測(cè)器信號(hào)的接收站。具體來(lái)說(shuō)，F(xiàn)AST可以觀測(cè)到宇宙邊緣的中性氫譜線，探求宇宙早期的歷史和起源。FAST還將開展對(duì)地外生命的搜尋，目前著名的地外文明搜尋計(jì)劃SETI項(xiàng)目便已經(jīng)和FAST開展合作，有望利用強(qiáng)大的FAST搜尋到外星人信號(hào)。此外，利用FAST，深空探測(cè)器回傳數(shù)據(jù)的接收能力可以提高100倍之多，因此可以把我國(guó)的深空通信能力延伸到太陽(yáng)系的邊緣。我國(guó)預(yù)計(jì)將于2020年發(fā)射火星探測(cè)器，此探測(cè)器將飛到最遠(yuǎn)4億千米的地方，而FAST將有望在接收數(shù)據(jù)和測(cè)定軌道等領(lǐng)域大顯身手。

科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，如果使用甚長(zhǎng)基線干涉技術(shù)，可以用多個(gè)距離較遠(yuǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡“拼合”出一個(gè)等效口徑更大的射電望遠(yuǎn)鏡，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，這就是所謂的射電望遠(yuǎn)鏡陣列，它是射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展方向之一。FAST便是我國(guó)為了參與競(jìng)爭(zhēng)著名的平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡而實(shí)施的技術(shù)先導(dǎo)項(xiàng)目。將來(lái)，大口徑的FAST和小口徑射電天線陣列聯(lián)合后，既能看到天體超精細(xì)的結(jié)構(gòu)特征，又能看到大尺度的結(jié)構(gòu)，可以說(shuō)是一個(gè)完美的組合。