中國(guó)“天眼”，探索宇宙的國(guó)之利器

雪花

2018年4月28日，中國(guó)“天眼”（FAST，學(xué)名是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）首次發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星并得到國(guó)際認(rèn)證。截至2018年9月12日，中國(guó)“天眼”已發(fā)現(xiàn)59顆優(yōu)質(zhì)的脈沖星候選體，其中有44顆已被確認(rèn)為新發(fā)現(xiàn)的脈沖星。2021年5月，國(guó)家天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)利用中國(guó)“天眼”在觀測(cè)中取得的重要進(jìn)展，正式發(fā)布了201顆新脈沖星的發(fā)現(xiàn)。

望遠(yuǎn)鏡，是一種光學(xué)儀器，通過(guò)它可以把遠(yuǎn)處的東西看得很清楚?？墒?，在“望遠(yuǎn)鏡”前面加上“射電”二字，那又是一種什么儀器呢？原來(lái)“射電”這個(gè)字眼是從英語(yǔ)Radio翻譯過(guò)來(lái)的，原意是“無(wú)線電”。

顧名思義，“射電望遠(yuǎn)鏡”就是一種利用無(wú)線電波來(lái)“觀看”遠(yuǎn)方物體的科學(xué)儀器。我們?cè)凇坝^看”二字上面打了引號(hào)，這是因?yàn)槿说娜庋劭床灰?jiàn)無(wú)線電波。射電望遠(yuǎn)鏡是通過(guò)天線、接收機(jī)以及一系列儀表，把遠(yuǎn)處物體發(fā)射的無(wú)線電波接收進(jìn)來(lái)，經(jīng)過(guò)放大，然后轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗冄劬梢钥匆?jiàn)的信號(hào)，例如熒光屏上的亮光、記錄儀上的曲線，或者電子計(jì)算機(jī)打印出來(lái)的數(shù)字和圖表等，然后再進(jìn)行觀看的。這是一種間接的“觀看”，顯然，它和可以直接觀看的普通光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是大不相同的。

自然界中，許多物體都會(huì)發(fā)射無(wú)線電波，小至塵埃、電子，大至太陽(yáng)、銀河。發(fā)射的無(wú)線電波有長(zhǎng)有短，有強(qiáng)有弱，形形色色，花樣繁多，從古至今，連綿不斷。但是，在以前科學(xué)不發(fā)達(dá)的時(shí)代，人們“觀看”不到它們。直到一個(gè)世紀(jì)前，無(wú)線電技術(shù)發(fā)展到了相當(dāng)水平，人類才第一次“觀察”到來(lái)自銀河的無(wú)線電波。

一開(kāi)始，人們認(rèn)為這是一種人為的干擾，經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)收到的“干擾”信號(hào)正是來(lái)自銀河系的，人們這才意識(shí)到，這是人類第一次觀察到來(lái)自銀河系的無(wú)線電波。

隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家相繼發(fā)明了專門用來(lái)觀察天體發(fā)射無(wú)線電波的儀器，也就是“射電望遠(yuǎn)鏡”，用它來(lái)研究銀河系和太陽(yáng)發(fā)射的無(wú)線電波，獲得了豐富的科學(xué)資料。從此，天文學(xué)領(lǐng)域中一門嶄新的科學(xué)——射電天文學(xué)，也就隨之誕生了。天體發(fā)射的無(wú)線電波是如此豐富多彩，使人們大大開(kāi)闊了眼界。原來(lái)僅僅作為“無(wú)線電”理解的那個(gè)字眼——Radio，自然而然地被賦予了更深一層的含義，即“天體發(fā)射的無(wú)線電波”，簡(jiǎn)稱“射電”。我國(guó)現(xiàn)在統(tǒng)一的翻譯名稱采用“射電望遠(yuǎn)鏡”，就已經(jīng)包含了這一層含義，比起以前采用的譯名“無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡”要更加確切一些。

1958年，我國(guó)科學(xué)工作者制造出了第一批射電望遠(yuǎn)鏡。其中一架直徑2.5米的射電望遠(yuǎn)鏡，是當(dāng)時(shí)正在南京大學(xué)讀書(shū)的幾名青年學(xué)生制作的，接收到了太陽(yáng)的射電信號(hào)。與此同時(shí)，我國(guó)有幾個(gè)研究單位和學(xué)校也先后制成了射電望遠(yuǎn)鏡，并分別安裝在幾個(gè)天文臺(tái)使用，還參加了1968年新疆的日全食觀測(cè)，積累了一批寶貴的太陽(yáng)射電觀測(cè)資料。

最初的射電望遠(yuǎn)鏡，天線規(guī)模不大，接收機(jī)靈敏度也不太高，只能觀測(cè)像太陽(yáng)、銀河這類射電信號(hào)比較強(qiáng)的天體。后來(lái)，射電望遠(yuǎn)鏡的規(guī)模越做越大，接收機(jī)的靈敏度也越來(lái)越高，接收射電信號(hào)的波長(zhǎng)也從米波擴(kuò)展到了毫米波。

為了提高射電望遠(yuǎn)鏡的威力，科學(xué)家們用無(wú)線電波的干涉原理，把許多天線有規(guī)律地排列起來(lái)，連接成一個(gè)“陣”，叫做“射電干涉儀”或“綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡”。后來(lái)，科學(xué)家們又發(fā)明了一種使用原子鐘的射電干涉儀，天線與天線之間互不連接，但又能互相呼應(yīng)，叫作“甚長(zhǎng)基線干涉儀”，一下子把天線陣的規(guī)模從幾千米擴(kuò)大到了幾千千米，甚至跨洲越洋，形成全球性的射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)。盡管如此，除了一些有價(jià)值的行星，我們依舊無(wú)法探測(cè)到所有的行星。

1993年日本東京召開(kāi)的無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)上，包括中國(guó)在內(nèi)的十國(guó)天文學(xué)家們迫切希望建造新一代射電望遠(yuǎn)鏡，于是，中國(guó)“天眼”便應(yīng)運(yùn)而生。

2011年3月，中國(guó)“天眼”工程正式開(kāi)工建設(shè)，借助貴州黔南天然圓形溶巖坑建造，500米口徑，其接收電波的面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)那么大。它的反射鏡邊框都是1500米長(zhǎng)的環(huán)形鋼梁建造而成，反射面總面積約25萬(wàn)平方米，用于匯聚無(wú)線電波，利用接收機(jī)接收?！疤煅邸庇?450個(gè)獨(dú)立的面板組成，擁有一個(gè)固定的直徑500米的碟形天線，它是世界上最靈敏的監(jiān)聽(tīng)設(shè)備，也是最大的填充口徑無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡。

2018年4月28日，中國(guó)“天眼”開(kāi)啟工作，首次發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星，估算距離地球約4000光年，它是由“天眼”超寬帶接收機(jī)一小時(shí)跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的，是至今發(fā)現(xiàn)的射電流量最弱的高能毫秒脈沖星之一。

截至2018年9月12日，中國(guó)“天眼”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了59個(gè)高質(zhì)量的脈沖星候選，其中44個(gè)被確認(rèn)為新發(fā)現(xiàn)的脈沖星。這些脈沖星中哪些來(lái)自外星文明，目前正在破解，很有可能會(huì)首次發(fā)現(xiàn)未來(lái)外星文明的存在。不僅如此，科學(xué)家還通過(guò)“天眼”對(duì)宇宙的起源進(jìn)行探索研究。

其實(shí)中國(guó)“天眼”工程剛啟動(dòng)時(shí)，曾遭到許多天文學(xué)家的反對(duì)，就連科學(xué)家霍金也認(rèn)為它將引來(lái)巨大的災(zāi)禍，原因就是“天眼”探測(cè)時(shí)所發(fā)出的信號(hào)太強(qiáng)大，容易被外星人探測(cè)到地球的位置，從而引發(fā)星球大戰(zhàn)。但事實(shí)并非如此。

隨著中國(guó)“天眼”的出現(xiàn)，也許在不久的將來(lái)，它會(huì)給全人類帶來(lái)更大的驚喜，一個(gè)宇宙新發(fā)現(xiàn)的時(shí)代即將來(lái)臨。