射電天文學與FAST望遠鏡

陳厚尊

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

2016年7月3日上午，位于中國貴州省黔南州平塘縣克度鎮金科村大窩凼（讀作dàng，意為塘、水坑）的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST，Five hundredmeters Aperture Spherical radio Telescope）的最后一塊三角形反射鏡面開始起吊，并在索網上面安放到位。至此，FAST球面上的全部4450塊反射鏡面均已安裝完畢，望遠鏡的建設和組裝工作宣告結束，接下來將進入調試階段，并于2016年9月正式投入使用。屆時，FAST的超高靈敏度和高分辨率將助力中國的射電天文學邁向世界前列。同樣是掛著“望遠鏡”的名號，FAST卻與我們日常熟悉的天文望遠鏡有很大不同。首先，FAST 的口徑非常大， 達到了500米，即便是觀測時的瞬時有效口徑也達到了300米。而地面上的光學望遠鏡口徑一般很難超過10米，否則因鏡片自身的重量引發的鏡面變形對其成像質量會有顯著影響。其次，FAST似乎被固定在了一個大山坳里，而不是像天文望遠鏡那樣被安裝在某種腳架上。即使是德國的口徑100米的玻恩射電望遠鏡，也有一個可以令其“擺頭”的支架。那么，FAST究竟是一臺怎樣的設備，又能在哪些領域幫助中國的天文學家取得領先世界的成果呢？為了了解這些，先讓我們一起回顧天文學領域中相對年輕的一門分支學科：射電天文學。

這是一幅FAST望遠鏡在組裝工作臨近完成時的航拍實景圖，可以看到它龐大的主體被黔南群山環繞。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代文明隔絕。

現代物理學起源于牛頓在1687年出版的《自然哲學之數學原理》一書，化學起源于中國的煉丹術和西方的煉金術，微生物學起源于列文·虎克發明的顯微鏡，但沒有人能說清楚天文學何時何地起源于何人的研究。歷史上，幾乎所有的古文明都曾經獨立地發展過自己的天文學，只是，當時的視界必然受限于那個年代的觀測手段，而這種局限性在天文學的發展史上表現得尤為突出。總體來講，人類天文學史上總共有三次觀測手段的革新。首先是1610年，意大利物理學家兼天

文學家伽利略發明了第一臺光學望遠鏡，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），大幅提高了人們在可見光波段的集光能力。目前，經過了300多年的技術發展，以哈勃空間望遠鏡為代表的頂尖儀器已經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，也證明了可見光天文學有其自身的極限，在未來難有前沿性的突破。

天文觀測手段的第二、第三輪革新是有關聯的，它們都源于19世紀麥克斯韋的經典電磁理論。當時，麥克斯韋敏銳地指出了光其實是一類波長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的電磁波。這樣的預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更長，或者比紫光波長更短的“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化限制，去自由感受不同波長的世界談何容易。地球上的生命選定波長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，唯有像恒星內部的核聚變那樣的物理過程才可能產生可見光，因而在夜空中能被人們直接觀察到的目標大都是恒星、星系，或者是被恒星光芒激發的星云等。然而，宇宙中的絕大部分地方顯然都不具備恒星內部的物理環境，而是處在某種低溫、空曠的亞真空狀態。那里的亞真空比地球上最好的實驗室能夠制造的真空還要空。根據維恩定律，那是毫米波、厘米波，甚至米波的世界。射電天文學由此初露端倪。

最早辨識出天文學的無線電波源完全是個意外。那是在20世紀30年代早期，美國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發現，當天線逐漸靠近銀河方向時電磁干擾逐漸增大，并且在人馬座方向達到極值。他還發現這種噪聲干擾會隨地球自轉，于23小時56分鐘（一個恒星日）內完成一輪周期性變化。他最終得出結論，認為這種始終存在的短波本底噪聲應當是來自銀河系的某種赫茲波。奇怪的是，他當時并沒有在短波噪聲里發現太陽的蹤跡。直到數年后，第二次世界大戰進行得如火如荼之際，一位英國的陸軍研究員才在甚高頻軍用雷達中監測到了來自太陽的強烈電磁干擾。而在此之前，天文學家已經尋找太陽的射電信號很多年了，均沒有收獲。這一消息直到1946年才公之于眾。天文學家查閱了當時太陽的活動記錄，得知那幾天恰巧有一枚大黑子經過日輪中心。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射頻率，當然，其中還有甚高頻雷達制造技術上的困難;第二，太陽的射電干擾與日面活動的光學現象是有聯系的。自此以后，英聯邦國家陸續開展了一系列針對太陽的射電觀測

工作，基本弄清了太陽在射電波段輻射強度的變化規律。

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

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

我們回到射電天文學的發展歷程上來?？v觀20世紀天文學領域拿到的9次諾貝爾物理學獎，射電天文學就有5次，超過一半。它們分別是：1974年脈沖星的發現、1974年孔徑綜合技術的發明、1978年宇宙微波背景輻射的發現、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，一說起諾貝爾獎，射電天文學家都是非常自豪的。事實上，射電天文學的強大威力是在前輩不斷摸索的過程中被慢慢揭示出來的。在射電天文學的發展初期，同許多新興學科一樣，極少有人看好它，其原因主要是在觀測的分辨率方面。針對電磁波的匯聚系統，有一個著名的瑞利判據：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，D代表儀器口徑。針對射電望遠鏡，假設其有效口徑為10米，在中性氫的21厘米波段工作，則很容易計算出該儀器在天球上的分辨率約為1.5°，覆蓋面相當于9個太陽的視面積！如此看來，即便是利用大型射電望遠鏡巡天，那效果也好像是一個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一一對應起來。后來，英國著名天文學家馬丁·賴爾利用孔徑綜合技術一舉破解了這個難題。他發現射電望遠鏡與傳統設備不同，它可以在工作的時候同時記錄下電波的相位信息。于是，他想到了利用相距遙遠的兩架望遠鏡聯合觀測的方法來提高目標分辨率。這就使得射電望遠鏡的分辨率水平一舉超越了傳統的光學望遠鏡，理論上甚至可以達到后者的1萬倍！今天，我們已經能夠利用甚長基線干涉測量技術（VLBI，Very Large Baseline Interferometry）的眾多射電望遠鏡陣列，來追蹤距離銀心黑洞僅數百個天文單位的恒星的運動軌跡。

另外，同傳統的天文學相比，射電天文學還有兩個無與倫比的先天優勢：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寬松。第一條初看起來很不可思議。普通人往往有一個牢不可破的成見，認為天文學家只能在晴朗而漆黑的夜晚工作。其實不然。前面也提到了，在20世紀30年代，人們首先在射電波段注意了銀河系輻射的存在，之后才在太陽活動爆發的時候偶然察覺到了太陽的射電輻射。盡管后來科學家證實太陽在“平靜期”也存在微弱的射電輻射，但與來自銀河方向的強烈信號相比，簡直可以忽略不計。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鏡的正常工作。至于第二條我們需要了解的事實是：一臺望遠鏡的反射面加工精度往往制約了它的工作波長。舉個例子：若要在觀測波長為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。對應到射電領域，這個數值往往在毫米量級上。與光學望遠鏡動輒幾十個納米的精度要求相比，這已經算是容易做到的了。不過值得注意的是，射電天文學的第一項優勢在20世紀中期還比較突出，可是近年來，隨著各類電器和無線電技術的普及，地球上的無線電環境也在逐年惡化中。同舉目可見的光害不一樣，除非是相關從業者或愛好者，否則無線電環境的惡化是常人難以察覺的?，F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的無線電靜默。據說FAST項目在初建的時候，單是為了說服當地政府不要在附近大肆興建觀光設施，參觀者也不允許攜帶手機等這些事情上就遇到了很大的阻力，許多人不能理解1000米外的一個小小的手機會對眼前的龐然大物有什么損害。其實這方面早有前車之鑒。河北興隆的郭守敬望遠鏡LAMOST）項目就因選址不當，以及當地政府大興土木等原因而深受光污染的影響，導致其建成數年后一直無法達到設計之初預想的效果。這類事件應當引起有關部門的足夠重視。許多科研項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，不然國家花重金建造的巨型科研設備最終只能淪為大而無用的“藝術品”，不僅令納稅人寒心，也令國外同行恥笑。

1963年11月1日，位于波多黎各的美國阿雷西博望遠鏡正式建成，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動，因而只能通過改變接收裝置的位置來掃描天頂附近一個寬約20°的帶狀區域。即便如此，它的極高靈敏度還是為天文學家帶來了許多重大發現。其中最激動人心的便是1974

年泰勒與赫爾斯發現的第一對射電脈沖雙星，他們利用其檢驗了愛因斯坦的引力波輻射預言，結果同廣義相對論的計算完全一致。兩人因此獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。

中國的FAST項目靈感源于美國的阿雷西博望遠鏡，卻并非它的簡單翻版。FAST克服了阿雷西博反射面無法運動的先天缺憾。在計算機自動程序的幫助下，FAST能在觀測瞬間在500米的巨型球面上自動生成一面口徑略小的300米拋物形反射面。這樣一來，FAST不僅大大擴展了自身的觀測范圍（在天頂附近達到40°）， 還能主動抵消地球的自轉效應。這個過程雖然在原理上來說很簡單，可若要付諸實踐，技術難度必然不小。前面提到過，射電望遠鏡反射面的容許誤差通常

都在毫米量級。可是對于直徑500米的FAST，光是反射面支撐結構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整的時候誤差不超過1毫米，其工程難度可想而知。令人欣喜的是，FAST項目中所有的關鍵技術均為中國自主創新，并申請了相關技術專利。在未來，等FAST全面投入使用之后，將陸續在中性氫觀測、暗弱脈沖星和射電源的尋找、宇宙起源與星際物質結構、地外文明搜索等領域實現科學突破。有網友戲稱FAST為現實版的“紅岸基地”。實際上，對比《三體》中描述的情形，現實中FAST的靈敏度至少是紅岸雷達的10倍以上。而由FAST代表人類文明發出的一聲啼鳴，至少在信號的發射方向和波段上，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實世界，人類同外星世界的第一次接觸會不會由中國的FAST來完成呢？我們有理由去期待！