FAST的前世今生

文/Richard G. Strom（國際知名天文學家） 翻譯/姚景云 楊勝良

FAST的前世今生

文/Richard G. Strom（國際知名天文學家） 翻譯/姚景云 楊勝良

Astronomers all over the world eagerly await the opening and first results from FAST!

>>摘要 全世界所有的天文學家們正面對FAST的運行和因此得來的首期效果翹首以盼。

位于波多黎各一個喀斯特大坑中的美國阿雷西博射電望遠鏡——曾經是世界上最大的觀測工具，是二十世紀科學技術影響深刻的一個重大事件。它五十年前初具成形，隨后不斷改進和創新。如今FAST橫空出世，它不僅具備阿雷西博的許多特點，同時又進行了大量技術創新，因而顯得無與倫比：

1.球面直徑達500米（阿雷西博僅305米），其中可用直徑達300米（阿雷西博只有200米）。

2.外觀呈碟形碗狀，使得FAST能觀測到更廣闊的天區，甚至包括整個北半球。

3.FAST球面可以從球狀微調為拋物線狀，這是一項特別的創新。這種理想的形式能把從宇宙間收集到的無線電信號集中到某一個焦點上。

所有這一切是如何產生的呢？我們先來簡短地回顧一下FAST工程“前世”。

當北京天文臺幾個射電天文學家在中國射電天文學之父王綬琯教授的鼓勵下，積極尋找一種可能的設備替代現存的射電望遠鏡，FAST的概念便應運而生。

借鑒阿雷西博的經驗，天文學家們認為中國西南地區擁有豐富的喀斯特地形，這為修建一個大型單面射電望遠鏡提供了絕佳的條件，FAST的構想逐漸形成。

1994年，通過對備選地喀斯特洼地監測顯示：貴州山地間蘊藏著建造大型固定球面反射器的巨大潛力。一年后，一個國際研討會專門討論了FAST實現的可能性和存在的問題。這個項目最終獲得官方認可、籌集到足夠資金、完成所有設計的篩選論證，歷時十余年之久。所以，直到2011年，工程才正式啟動；翌年，工程初見成效。

大體說來，這就是FAST的孕育過程。其實，在阿雷西博修建之前，世界射電天文學家就一直在尋求一種以最小代價獲取最大信息的望遠鏡建設方案。1947年，英國在焦德雷爾班克建立第一個觀測鏡，它由多根木柱組成網絡支架，高高撐起一面拋物線狀反射面。反射面直徑66米（英制218英尺），從球面反射回來的宇宙射電信號聚焦于固定在高大天線桿終端的雙極子天線上，從而達到對太空信號的監測。

1951年，在荷蘭北海對面，射電工程師們利用一個現存的沙坑為底，沿它表面澆鑄水泥結構拋物面，再在拋物面上布排22米直徑的電線網眼。這種電線網眼可接收來自天體的電波，并將它定向反射到焦點上。和焦德雷爾班克望遠鏡一樣，荷蘭望遠鏡也只能利用地球自轉，掃射天空一個帶狀區域，進行單向觀測。但是在這個沙坑反射面上，科學家們進行了一項微小的技術革新，通過傾斜拋物線表面約10度的軸，使一束最亮的射電源穿過鏡面橫梁。

在南半球，澳大利亞射電天文學家通過一個安裝在悉尼附近的固定反射體觀察到銀河系中心每天都會運行到達一個制高點。這個固定反射體是一面“地下孔洞”天線，由一群天文學家用鏟子挖掘出一個淺沙坑，然后在上面鋪上裸露的金屬線連接起來構成。它高居在多佛高地一處懸崖頂部，可以俯瞰遠望悉尼港入口處的許多地方。這個望遠鏡用來研究銀河系的原子能區域，成功地使用了許多年。

焦德雷爾班克66米高天線、荷蘭20米天線、悉尼多佛高地22米天線的原理，和現在許多還在持續運行的射電望遠鏡一樣，都是把拋物線反射面接收到的射電信號集中反射到某一焦點上。如果想把望遠鏡指向天空的任何位置，就必須要調整鏡體的位置。但是，這個有固定表面的鏡體幾乎是無法調整的。1965年，一種新的望遠鏡設計使這種想法成為可能。擁有固定球面鏡體的阿雷西博射電望遠鏡，借助地理方面的優勢，能將所有穿過球面中心的射線，集中于球面的同一位置，而不再局限于單向觀測，雖然有一些誤差（球面偏差），但已能輕易、快捷、直接地獲得糾正，就像在文章開頭提到的那樣，FAST向前邁進了一步。全世界所有的天文學家們正面對FAST的運行和因此得來的首期效果翹首以盼。

（責任編輯/黃莎莎）