“中國天眼”是如何觀宇宙的

顏瑞玨

位于貴州省平塘縣大窩凼的“中國天眼”，簡稱為FAST，是目前全球最大且最靈敏的單口徑射電望遠鏡，綜合性能是其他射電望遠鏡的10倍以上，能夠接收到100多億光年以外的電磁信號，極大拓展了人類對宇宙的觀測極限。那么，我們為何要建造如此之“大”的射電望遠鏡？“中國天眼”又是如何觀測星空的？

當前人們探知宇宙天體信息的渠道主要有4種：電磁輻射、宇宙線、中微子和引力波。其中，電磁輻射是最為古老也最為主要的探測手段，望遠鏡便是我們認識廣袤宇宙的至關重要的儀器。我們知道，電磁波遠不限于可見光，然而并非所有波段的電磁波都能到達地球表面，地球大氣阻擋了來自宇宙空間的大部分電磁輻射，僅可見光和一部分紅外線以及射電波段的電磁輻射能到達地球表面，光學和射電這兩個大氣透明窗口便成為天文學觀測的重要波段。

人們對于可見光波段的觀測歷史悠久，17世紀初，伽利略首次將望遠鏡伸向星空。20世紀30年代，無線電工程師偶然發現了宇宙中的射電信號，此后，射電天文學逐漸發展起來。20世紀60年代，天文學觀測中極為重要的“四大發現”：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子，都與射電望遠鏡有關。可以說，射電望遠鏡在當今天文學的研究中至關重要。

天文望遠鏡最主要的參數是望遠鏡的口徑，望遠鏡的口徑決定了望遠鏡的極限角分辨率和集光能力。

極限角分辨率說的是儀器能分辨的最小細節的能力。點光源經過光學儀器后，由于衍射的影響，所成的像不是一個點，而是一個明暗相間的圓形光斑，即艾里斑。當一個艾里斑的中心與另一個艾里斑的第一級暗環重合時，剛好能分辨出兩個像，由此給出光學儀器的最小分辨角。望遠鏡的極限角分辨率由瑞利判據給出，儀器的最小分辨角與儀器口徑成反比，與觀測波長成正比，即口徑越大，極限角分辨率越高，對于相同的角分辨率要求，觀測波長越長，則對儀器的口徑要求越大。同時，由于受到大氣湍流等因素影響，大口徑望遠鏡的實際分辨率常小于其極限分辨率。中國天眼的觀測頻段在70MHz～3GHz，為射電波段。射電波段波長約為光學波段波長的上百萬倍，因此我們需要將射電望遠鏡建造得如此之巨大。

除提高分辨能力外，望遠鏡的另一個作用便是增加聚光，即增加我們能接收到的光子總數，體現了望遠鏡的靈敏度。望遠鏡聚光的能力稱為望遠鏡的集光能力。望遠鏡的集光能力與口徑的平方成正比，與望遠鏡的焦距無關。因此，為觀測宇宙深處的微弱信號，也要求建造超大口徑的望遠鏡。當然，望遠鏡的靈敏度還受到諸多因素的影響，包括反射面的材料、組裝設計等，同時為了使得如此巨大的望遠鏡能實現跟蹤觀測等功能，“中國天眼”團隊在技術上攻堅克難，使得“中國天眼”的綜合性能是此前被稱為“美國天眼”的350米口徑的阿雷西博射電望遠鏡的10倍。

“中國天眼”于2016年9月落成啟用，2017年10月首次發現兩顆新脈沖星，截至目前已發現脈沖星300余顆。人類首次發現脈沖星是在1967年，50多年來，人類總共發現的脈沖星約2700顆。脈沖星在星體坍縮、磁層粒子加速機制等基礎科學研究領域及星際導航等應用研究方面都具有極其重要的意義。搜尋和發現脈沖星是“中國天眼”的核心科學目標，包括銀河系內脈沖星的探尋，以及對仙女座大星系（距銀河系最近的河外星系）進行跟蹤觀測，以期捕獲銀河系外的第一顆脈沖星。

銀河系中大量的脈沖星因其信號暗弱，目前觀測到的只是其中很小一部分，而“中國天眼”的超高靈敏度則是發現脈沖星的一大利器。“中國天眼”已發現的脈沖星，大部分來源于一種叫漂移掃描的觀測模式。漂移掃描可以被稱為“盲搜”，就像我們夜晚掃視星空一樣。結合深度學習人工智能，天文學家可以對海量巡天數據進行快速搜索。另一種常用觀測模式叫跟蹤，就像我們盯著一顆星星看。對仙女座大星系中性氫成像和脈沖星的搜尋，一方面是為了進一步揭秘距銀河系最近的代號M31的這個河外星系，另一方面天文學家希望通過跟蹤來捕獲銀河系外的第一顆脈沖星。

“中國天眼”還以其超高的靈敏度優勢，通過盲搜發現了來自宇宙深處的快速射電暴新源。該源展現出極為罕見的三峰結構。根據其高色散量估算，該信號可能來自距地球約百億光年的宇宙深處。快速射電暴是一種持續僅數毫秒的未知射電暴發現象，當前人們對其了解還極其有限，對于其如何產生、究竟在哪兒發生都知之甚少。“中國天眼”的高靈敏度特性有望捕捉到更多的快速射電暴，探測到快速射電暴的更多細節信息，揭開快速射電暴的來源之謎。

此外，“中國天眼”承擔的主要科學任務還包括：巡視宇宙中性氫，天體超精細結構研究，星際分子探測，及搜索可能的星際通信信號。“中國天眼”面向全球科學界開放申請，向世界表明了中國開放包容的大國姿態，在探索未知宇宙的道路上，只有充分匯集各方智慧，精誠合作，取長補短，才能讓這只巨大的天眼發揮出更加強大的威力。

◎ 來源|科普時報