FAST：地外文明探索者

文/ 李會超

FAST是“500米口徑射電望遠鏡”的英文簡稱。這個架設在中國貴州喀斯特洼坑中的“大鍋”，是目前世界上單口徑最大也是最為靈敏的射電望遠鏡，為我們探索宇宙之謎開啟了另一扇窗戶。除了進行天文學和天體物理學方面的諸多研究外，F(xiàn)AST還將監(jiān)聽太空中特定波段的信號，尋找地外文明，也就是我們常說的“外星人”的蛛絲馬跡。

▲ 被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）全景（新華社記者歐東渠 攝）

射電天文學的緣起

當夜幕降臨，天空中出現(xiàn)閃爍的星斗，我們?nèi)庋勰苡^察到的是恒星、行星和其他天體發(fā)射的可見光信號。最初的天文學研究，也只就是使用能夠接收可見光波段的望遠鏡。然而，可見光實際上只是電磁波譜中的一段，而天體活動除了產(chǎn)生可見光信號外，也在波長更短的紫外、X等波段和波長更長的射電波段產(chǎn)生信號。

射電天文學的誕生源于一次偶然。1932年，美國貝爾實驗室的工程師卡爾·央斯基正在進行短波通信告饒源的研究。在使用一個大型定向天線接收信號的過程中，央斯基發(fā)現(xiàn)一個來源未知的奇特無線電信號。經(jīng)過一番分析后，央斯基最終斷定信號并非來自地球上的發(fā)射裝置，而是來自銀河系中遙遠的天體。自此，天文學家們才認識到天體射電信號的存在，并在這個波段上開展了觀測。

▲ FAST反射面吊裝工程

和其他的天文觀測設備一樣，射電望遠鏡同樣追求更高的觀測分辨率和靈敏度。更高的觀測分辨率，意味著我們能辨別出天體的更多細節(jié)；而更高的靈敏度，則可以讓我們捕捉到更加暗弱的信號。其中，望遠鏡能夠分辨的最小空間尺度和波長成正比，和望遠鏡的接收面積成反比。由于射電波段的波長比可見波高不少，因此射電望遠鏡的接收面積必須比光學望遠鏡大很多，才能實現(xiàn)相似的分辨率。因此目前觀測遙遠天體的主流射電望遠鏡，其直徑都在幾十米以上，有的可達百米甚至數(shù)百米，遠高于光學望遠鏡。同時，接收面積越大，望遠鏡的靈敏度也就更大。因此盡量提高望遠鏡的面積是提高射電望遠鏡觀測能力的途徑之一。

大部分射電望遠鏡的外形和我們接收衛(wèi)星信號的“大鍋”相似，望遠鏡的反射面與支撐控制反射面運動的裝置相連接，指向是可以變化的。受材料性能限制，這種可動式的射電望遠鏡最大口徑在100米左右，而如果要進一步擴大望遠鏡的面積，人們想出了借助天然地形，在自然形成的洼坑中布置望遠鏡的辦法。1962年建成的阿雷西博望遠鏡，就是利用固定的地形建設的固定球面射電望遠鏡。

▲ FAST底部結(jié)構(gòu)

了不起的“大鍋”

射電天文學所使用的波段，也是人們進行無線電通信所使用的波段。隨著人類對無線電頻段利用的增加，來自遙遠天體的自然信號有可能逐漸被人造信號淹沒。為了趕在這一天到來前發(fā)現(xiàn)更多宇宙深處的奧秘，10個國家的天文學家在1993年的國際無線電聯(lián)大會上，提出了建造巨型射電天文望遠鏡的構(gòu)想。1994年，F(xiàn)AST的概念被正式提出。2007年，F(xiàn)AST項目正式獲得國家立項。2016年7月，F(xiàn)AST主體工程完工，并投入試運行，邊調(diào)試邊進行一些科學觀測。

FAST望遠鏡的主體結(jié)構(gòu)——反射面占地約25萬平方米，面積相當于30個足球場大小，直徑500米。這個反射面并非一個一體的結(jié)構(gòu)，而是由4450塊三角面板構(gòu)成，總重量超過2000噸。來自宇宙中的無線電波經(jīng)過反射面反射后，匯聚到望遠鏡頂部吊裝的饋源艙中，實現(xiàn)信號的接收。

FAST這口“大鍋”安放在貴州省平塘縣一個名叫大窩凼的洼地中。這個洼地的大小合適，形狀又剛好適合安裝球面望遠鏡，排水條件也比較好，是科研人員在前期選址時，從400個備選的喀斯特洼地中精挑細選出來的。同時，建在深山老林中，遠離各種人工無線電發(fā)射源，也給FAST提供了良好的無線電環(huán)境。

FAST本身的球面形狀不能將射電信號聚焦到一個點。同時，由于FAST本身的結(jié)構(gòu)是固定的，因此如果不采用特殊的手段，將只能觀測天頂附近的一小片區(qū)域。而FAST的創(chuàng)新之處在于，組成FAST反射面的4000多個三角板都是可控的。通過對每一塊三角板指向的微小調(diào)整，F(xiàn)AST可以在發(fā)射面上制造出一個有效口徑在300米的拋物面，還可以動態(tài)調(diào)整拋物面的朝向。這樣，雖然FAST本身是固定的，但卻能讓這個動態(tài)的拋物面指向不同的方向，完成一定區(qū)域天空的巡視。當使用300米拋物面時，可以在天頂附近26.4度的范圍內(nèi)進行觀測。而如果犧牲一部分觀測面積，將有效地將拋物面直徑降低到200米，則可實現(xiàn)天頂附近60度的觀測。

在FAST測試的早期，饋源艙內(nèi)接受信號的是單波束接收機，望遠鏡每次只能獲得天空中一個像素點的信息。而為FAST量身定制的19波束接收機，將在未來投入使用。這使得FAST在觀測過程中，每次可以獲得19個像素點的信息。如果要獲取一片天區(qū)相對連續(xù)的圖像，既可以通過多次“曝光”的方式完成，又可以通過掃描成像的方式完成。

FAST望遠鏡立項時，主要提出了中性氫觀測、VLBI組網(wǎng)觀測、脈沖星觀測、分子譜線觀測和地外文明搜尋等方面的科學目標。在調(diào)試階段，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了多顆脈沖星，實現(xiàn)了中國天文學家使用自己的望遠鏡觀測脈沖星的領(lǐng)域的突破。

脈沖星是一種特殊的中子星，因為其輻射波束會周期性地快速掃過地球，因此從地球上觀察，脈沖星發(fā)射的是一個個周期性的脈沖信號。對脈沖星進行觀測，不僅能夠研究脈沖星自身的極端物理狀態(tài)，還能對星際介質(zhì)、銀河系磁場、引力波等目標進行研究。目前已知的2000多顆脈沖星中，大部分脈沖星是澳大利亞帕克斯望遠鏡使用多波束接收機通過巡天觀測找到的。雖然FAST目前發(fā)現(xiàn)的數(shù)量還不多，但在調(diào)試階段各項指標均為達到理想的情況下，如此的科學產(chǎn)出已經(jīng)足夠讓人興奮。據(jù)估計，未來FAST有望搜尋到4000顆脈沖星。

▲ FAST全景

▲ FAST形成300米有效觀測拋物面的原理圖

尋找地外文明

在立項之初，F(xiàn)AST就將尋找地外文明確定為自身的幾個科學目標之一。既然人類會向太空中發(fā)射無線電波，那么我們有理由相信如果其他星球上存在文明的話，他們也會向太空中發(fā)射無線電信號。

天文學家卡爾達舍夫（Kardashev）設想，如果宇宙中存在其他的文明，那么可以根據(jù)這些文明對能量的使用能力分為三類。第一類文明的能力與人類相似，能夠使用行星上接收到的來自恒星的全部能量。第二類能力則上了一個臺階，能夠使用行星環(huán)繞的那個恒星所釋放的全部能量。而第三類文明的能力則到了驚人的地步：他們具備可以利用像銀河系這樣的整個星系的能力。和現(xiàn)實生活一樣，能力較高的后兩類文明，存在的幾率較小，應該比較松散地分布在宇宙中。第一類文明存在的幾率較大，有可能就在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具備宜居條件的行星上。

▲ 仙女座M31大星云

對于第一類文明的尋找，F(xiàn)AST的目標比較明確：它將對美國宇航局的TESS衛(wèi)星所發(fā)現(xiàn)的系外行星進行有針對性的搜星。TESS于2018年開始升空工作，主要利用系外行星的凌日現(xiàn)象來搜尋我們尚未發(fā)現(xiàn)的系外行星。據(jù)估計，TESS在工作期內(nèi)有望發(fā)現(xiàn)多達1250顆行星，有些甚至能認證處于恒星附近的宜居帶中。由于這些行星之前從未被發(fā)現(xiàn)過，因此也從未被之前搜尋系外文明的研究活動監(jiān)聽過，具有潛在的研究價值。根據(jù)已經(jīng)發(fā)表的論文，F(xiàn)AST將會對頻率在30MHz～3GHz間的5個頻段進行監(jiān)聽。

仙女座（M31）是距離我們最近的大型星系，規(guī)模與銀河系類似，恒星總量達1萬億。FAST將會利用其靈敏度高的優(yōu)勢，在1250MHz到1420MHz的頻段間進行監(jiān)聽，每10分鐘就能取樣一次。這個頻段，也是著名的“水洞”所在的頻段?？茖W家們相信，借助FAST強大的觀測能力，如果在那1萬億顆恒星中真的存在第二類和第三類文明發(fā)出的信號，那么FAST一定能捕捉到它。★

▲ FAST夜景