說起中國“天眼”，大家大概都聽說過。前幾天我打車回國家天文臺，老司機一上來就很興奮地問我：“您是天文臺的？貴州那個天眼望遠鏡是你們的嗎？”我頗有些自豪地說：“對對，就是我們單位牽頭建的。五百米口徑，現(xiàn)在是世界最大?！比缓笏緳C就樂了：“五百米！真了不起！這么大的望遠鏡，是不是能看得最遠？晚上能看到很多星星吧？你們都看到了些什么好玩的？” 老司機的“靈魂三問”很直白，但答案卻沒那么簡單。
圖1：位于中國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼的FAST望遠鏡鳥瞰圖，圖片來源：FAST張蜀新
撰文 | 鄭征（國家天文臺）
責編 | 韓越揚 呂浩然
“天眼”望遠鏡，天文學家一般叫它FAST，是英文Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope的簡稱，中文是500米口徑球面射電望遠鏡。其中，500米是指FAST這口“鍋”鍋沿的直徑，球面是說“鍋底”的形狀是個球面而非拋物面，而射電則是它的工作波段，也就是說它主要用來接收無線電波。FAST目前是世界上最大的單鏡面射電望遠鏡，而在此之前的世界紀錄保持者是位于美屬波多黎各的阿雷西博（Arecibo）射電望遠鏡，口徑305米。FAST跟阿雷西博一樣，都是建在喀斯特地形的大坑里面。FAST基礎硬件的建設用了五年，而整個項目從最初的想法到最后驗收，則歷時二十多年之久。圖2：位于波多黎各的阿雷西博望遠鏡，口徑305米。圖片來源：naic.edu
1993年9月，國際無線電科學聯(lián)盟第二十四屆大會在日本東京召開，與會天文學家提出要在地球射電環(huán)境進一步惡化之前，盡快建設新一代的大射電望遠鏡（Large Telescope， 簡稱LT）?！疤煅邸敝改先蕱|先生并沒有參加此次會議，但是他了解到詳情之后，對這個項目產(chǎn)生了極大的興趣，希望這個大望遠鏡能花落中國。這也許就是建設FAST的最初動力。這個LT項目后來改名叫平方公里陣（Square Kilometer Array，簡稱SKA），也就是總接收面積可達1平方公里的望遠鏡陣列。隨著南仁東等人的積極推動，設計建在貴州喀斯特地形中的一批200米到300米的射電望遠鏡成為了SKA的候選計劃之一。貴州的喀斯特地形不光形狀合適，地下排水容易，不會因暴雨積水，而且遠離大城市的信號干擾，是建造這種大型射電望遠鏡的絕佳臺址。其余三個候選計劃各有不同，其臺址分別位于澳大利亞、南非和南美。由于是多國合作的大型望遠鏡項目，建造國之間的競爭非常激烈。2006年9月，SKA計劃推進工作委員會排除了中國和南美的計劃?，F(xiàn)在的SKA計劃選擇同時建在澳大利亞和南非，并采取成百上千面小型射電望遠鏡陣列的形式。雖然未能入選SKA，南仁東的大型射電望遠鏡設計理念卻得到了很多頂級科學家的支持，并于2007年7月在中國發(fā)改委正式立項，成為中國自己主導設計和建設的大型望遠鏡項目。2011年3月25日，F(xiàn)AST工程正式在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼動工。五年后，2016年9月25日，F(xiàn)AST落成啟用。在經(jīng)過三年半的調(diào)試期后，2020年1月11日FAST通過國家驗收，正式進入運行階段。圖3：FAST建設之前（左上）與建設之中（下）以及設計簡圖（右上）。圖片來源: Li & Pan (2016)
FAST最引人注目的，首先自然是它的“大”。也許從上面的照片上并不容易感知它的大小，實際上我第一次走近FAST的時候，也是有一些失望的，因為它看起來并不如想象中的大。不過若是走到它的圈梁上，走完一圈需要多半個小時（PS：直徑500米，你能算出它的周長嗎？咱們評論見！），而從這口“大鍋”的鍋沿走到鍋底，則要一兩個小時的時間。這時才會從心底驚嘆于它的巨大。實際上，F(xiàn)AST巨大的口徑并不是為了外表看起來更酷，而是為了能看到更弱更遠的信號。望遠鏡的主要原理是將遙遠天體發(fā)射過來的信號收集起來匯聚到一個點上。由于天體過于遙遠，它發(fā)射到地球上的信號相當于是平行光，基本是均勻分布的，因此望遠鏡口徑越大，它所能收集的信號也就越多，其收集信號的能力與望遠鏡的面積（注意不是口徑）成正比。FAST的有效口徑是300米，阿雷西博望遠鏡（非線天線）的有效口徑大約是200米，美國的綠岸望遠鏡（Green Bank Telescope）是100米，因此FAST的集光能力大約是阿雷西博的2倍，綠岸望遠鏡的9倍（再PS：想一想，為什么不是3倍？）。而且即便是未來的SKA一期中頻（350 - 4000 MHz）部分的接收面積也是比不上FAST的。射電望遠鏡的“大鍋”負責收集遙遠天體發(fā)射過來的射電信號，然后把這些信號反射匯集到一點，由位于這個點上的接收機來轉化成電信號并傳送到附近機房里的終端儀器進行進一步分析。一般小型的望遠鏡鏡面都是拋物面，因為拋物面有個很好的特性，就是可以把平行光匯聚到它的焦點上。然而阿雷西博和FAST因為過于巨大，不可能做成可轉動的拋物面，因此它們的反射面都采用了更容易建造的球面，而球面是沒有焦點的，也就是說它雖然能起到一定的匯集作用，卻無法將收集到的光子匯聚到一點。圖4：球面和拋物面反射的區(qū)別。左圖為球面反射，可以看到平行光經(jīng)球面反射后并不能匯聚到一點；右圖為拋物面反射，可以將平行光匯聚到焦點上。圖片來源：amazingspace.org
為了解決這個問題，阿雷西博在望遠鏡的上面加了一個格里高利反射系統(tǒng)（Gregorian reflector system），將經(jīng)過球面主鏡（也就是大鍋）反射過來的光再經(jīng)兩次反射來匯聚到一點。當觀測天上不同位置的天體時，只需移動這個系統(tǒng)即可。這個方法比較簡單，在光學望遠鏡中也有很多成熟的應用。但是阿雷西博的這個反射系統(tǒng)很笨重（圖2中懸在上方的那一大坨），整個平臺大約有900噸重，它擋住了“鍋面”上相當大的一部分，這樣的光路造成了很多額外的干擾。而FAST則使用了一種思路上更加直接的辦法，那就是在觀測時改變“大鍋”的形狀，將它變成拋物面。不過這種辦法做起來卻很有難度：由于地球的自轉，天上的天體會不停地自西向東移動，因此如果要盯著同一個天體長時間觀測的話，這個拋物面就得不停的改變方向以正對著目標天體，而實時精確地改變幾百米大的反射面又談何容易。FAST的大鍋由四千多塊三角形的面板組成，這些面板拼起來共有兩千多個節(jié)點，每個節(jié)點上都裝了一個促動器（圖4中的黃色推桿）連接在地面上。這些促動器由電腦控制，在觀測的過程中不停的拉動面板，將正對目標天體的那部分面板調(diào)整成合適的拋物面形狀。因此FAST在觀測過程中實際上只用了部分面板，而這部分面板的口徑是300米。
圖4：連接在面板節(jié)點上的促動器。上圖為示意圖（Nan et al. 2011)，下圖為照片（黃色桿子）
FAST所要觀測的射電信號波長最小可到厘米量級,因此面板移動的精度必須控制在1厘米以內(nèi)。為了保證拋物面的形狀能達到足夠的精度，F(xiàn)AST在反射面板上裝了很多反射鏡來幫助實時測量面板位置以便進行實時調(diào)整。這些反射鏡會反射測量基墩上發(fā)出的測距激光束，我們便可通過測量激光的反射時間來精確測量它們的位置（圖5）。圖5：在夜晚拍攝的面板上的反射鏡。當相機閃光燈亮起的時候，所有的反射鏡都將光反射回相機，于是就形成了這些排列整齊的亮點
FAST由于有了實時變動的拋物面反射鏡，便不需要額外的改正系統(tǒng)來將信號匯聚到一點，因此只需將輕的多的接收機定在焦點上即可。FAST周邊豎立了六個巨型金屬塔，在這六個塔上分別伸出六根鋼索吊住中心的饋源倉（見圖6，就是放接收機的地方）。這樣的饋源支撐系統(tǒng)輕巧的多，也減少了很多光路上的干擾。圖6：FAST饋源倉。下圖為吊在空中的狀態(tài)；上圖為降落在“鍋底”的狀態(tài)，露在外面圓盤狀的是19波束接收機
FAST在觀測的時候，會根據(jù)天體的位置不停地調(diào)整饋源倉的位置和反射面的形狀，以保證其信號會被完美地匯聚到饋源倉內(nèi)的接收機上（圖7）。圖7：FAST觀測時反射面變形（紅色區(qū)域）及饋源倉（中間吊著的金屬倉）移動示意圖
上面說了這么一堆，基本意思就是FAST是我國自主建造的望遠鏡，它口徑巨大，集光能力世界一流，而且有一些黑科技來確保其觀測精度。讓我們再回到最初老司機的“靈魂三問”：FAST是現(xiàn)今世界上最大且最靈敏的單鏡面射電望遠鏡，但卻不一定是看得最遠的望遠鏡。望遠鏡能看多遠不光與它的大小有關系，還與要看的東西有多“亮”有關。FAST的設計工作頻率是70-3000MHz，與收音機及手機信號的頻率類似，而大多數(shù)最遙遠的天體在這個頻段并不是很亮。因此雖然FAST靈敏度很高，其實并不見得能比其它波段的望遠鏡看得更遠。迄今發(fā)現(xiàn)的最遙遠的一批天體大都是星系和類星體，它們幾乎都是光學和紅外望遠鏡發(fā)現(xiàn)的。不過若是在其工作頻段內(nèi)，F(xiàn)AST肯定看得最遠。夜空中絕大多數(shù)肉眼能看到的星星在射電頻段發(fā)出的輻射也是非常微弱的，所以FAST在看恒星方面并不是特別擅長。而且FAST所在的區(qū)域雖然夜晚光污染不多，但時常會下雨，雨水并不會對射電波段的觀測造成很大影響，但是夜空中的繁星在陰雨天氣中就無法看到了。不過，若是能碰上晴朗的夜晚，也是有機會用肉眼享受美麗的星空的（圖8）。
圖8：FAST與夜空，照片左上角為正好劃過天空的一顆流星，圖片來源：FAST張蜀新、黃琳
這個問題實際上也是天文學家們最關心的。FAST于今年5月份正式公開征集觀測計劃，將2020年8月至2021年7月期間大約40%的時間拿出來用于全國的科學家自由觀測申請。在此之前，F(xiàn)AST科學委員會已經(jīng)遴選并啟動了五項FAST優(yōu)先和重大項目，并將50%的觀測時間用于這些項目的觀測。這些項目基本上代表了FAST最擅長，而且也最容易看出成果的方向。
（1）多科學目標漂移掃描同時巡天（CRAFTS; Li et al. 2018）前四類項目基本可以總結為看脈沖星和中性氫譜線，而最后一個則是新興的一種暫現(xiàn)源。下面我們分別來解說一下這三個部分：脈沖星是一種比較極端的天體，一般認為它是由中子星的快速旋轉所造成的電磁脈沖信號。FAST在其調(diào)試期間便已經(jīng)開始了脈沖星觀測。2017年8月22日，F(xiàn)AST探測到了它的第一顆新脈沖星（圖9），而至今為止，已經(jīng)確認探測到了100多顆新脈沖星，整個巡天預期將會發(fā)現(xiàn)上千顆新的脈沖星。
圖9：FAST發(fā)現(xiàn)的第一顆脈沖星藝術想象圖（上圖）和第一顆毫秒脈沖星（下圖，其脈沖周期約為5.19毫秒），圖片來源：王培
除了發(fā)現(xiàn)新的脈沖星以外，對脈沖星發(fā)射的脈沖進行測時也非常重要。一般來講，脈沖星的脈沖周期是非常準時的，通過對脈沖星持續(xù)的測時，研究這些脈沖周期的變化，不僅可以探知脈沖星內(nèi)部的物理結構，甚至可以探測宇宙空間內(nèi)的背景引力波。中性氫就是氫原子，結構非常簡單，就一個質(zhì)子加一個電子，但它是宇宙中含量最多的原子。像銀河系以及隔壁的仙女星系這樣的星系中，到處都彌漫著中性氫原子，它是星系內(nèi)氣體的重要組成部分，也是產(chǎn)生太陽以及夜空中其他閃亮恒星的原材料。
氫原子會發(fā)出一種很有特點的譜線，是由它的質(zhì)子和電子的自旋相互作用產(chǎn)生的，這種譜線的能量很低，波長是21厘米，因此也叫21厘米線，換算成頻率則是1420 MHz，正好在FAST觀測頻率范圍之內(nèi)。21厘米線的觀測可以告訴我們銀河系內(nèi)以及眾多河外星系里中性氫的含量，而這是在別的波段幾乎無法測量的。因此這個波段也受到人們的特別保護，一般的人造信號是不允許使用這個頻率的。圖10：M31是距離銀河系最近的大型旋渦星系。上圖為M31的光學波段照片；下圖為用26米的射電望遠鏡拍攝的M31中性氫21厘米線圖像（左下），以及用21厘米線測得的M31不同部分的速度（右下）。光學圖片來自Toren Hansen (wikipedia)，中性氫圖片來自Chemin, Carignan & Foster（2009）
之前阿雷西博也曾經(jīng)做過中性氫巡天，只不過觀測的天區(qū)比較小，其河外中性氫巡天大約掃過了整個天空的1/6，共探測到了三萬多個河外星系，距離基本都在8億光年以內(nèi)（Haynes et al. 2018）。這已經(jīng)是現(xiàn)今最深的大面積河外中性氫巡天了。而FAST的漂移掃描巡天計劃觀測大約整個天空的1/2，預期能看到幾十萬個河外星系，最遠距離可達10-60億光年。大范圍地同時搜尋中性氫和脈沖星信號，實際上是一個很有雄心的計劃。阿雷西博當年的脈沖星和中性氫巡天是分開進行的。這種新的同時搜尋的技術手段將大大加快巡天的速度。圖11：CRAFTS計劃（crafts.bao.ac.cn；Li et al. 2018）
快速射電暴是一個新興的熱門領域?？焖偕潆姳┦且环N非常強大的射電爆發(fā)，它在幾個毫秒到幾十毫秒內(nèi)能釋放出相當于太陽在一整天內(nèi)釋放的能量。自從2007年鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）和他的學生大衛(wèi)·納科維奇（David Narkevic）發(fā)現(xiàn)了第一個快速射電暴事件之后（Lorimer et al. 2007），這個領域也迅速走紅。這些年來，快速射電暴事件一共發(fā)現(xiàn)了幾百例，但它們的起源仍是一個謎。2018年11月，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了第一個新的快速射電暴FRB181123（Zhu et al. 2020）。后續(xù)更多的FAST觀測也許會為我們揭示出它的謎底。除了以上重要的科學問題以外，還有一個很讓人糾結的問題：FAST能不能探測到外星人？我們這里暫不討論有沒有外星人的問題，只來考慮另一個相關問題：如果有外星人，而且他們已經(jīng)建立了相當高級的外星文明，那么，用什么手段最容易探測得到他們？
要探測這些文明的信號，就要找到一個在太空傳播過程中最不容易衰減的波段，而射電波段正好符合這個要求。另外，射電波段的信號也更容易攜帶文明的“技術特征”，比如我們平時用于遠距離通信的手機、衛(wèi)星天線等等都用的是射電波段。當年喬絲琳·貝爾（Jocelyn Bell）最初發(fā)現(xiàn)脈沖星信號的時候，就懷疑過那是外星“小綠人”發(fā)射過來的信號，因為這些脈沖的周期太整齊了，非常像人為的信號。在小說《三體》中，葉文潔與三體人的接觸也是通過“紅岸”基地發(fā)射的射電信號，從而將地球暴露在了三體文明的威脅之下。FAST作為現(xiàn)今最靈敏的射電望遠鏡，也許確實是最有希望探測到外星文明信號的設備之一。不過大家可以放心，F(xiàn)AST只有接收天線，并沒有發(fā)射雷達，即便探測到外星文明也暫時不可能發(fā)射信號去聯(lián)系他們。作者簡介：鄭征，2004年山東大學本科畢業(yè)，2014年約翰霍普金斯大學博士?，F(xiàn)為中國科學院國家天文臺副研究員。主要研究領域為星系形成與演化，中性氫吸收線等。
參考文獻：
[1] Chemin, Carignan & Foster, 2009, Proceedings of Panoramic Radio Astronomy: Wide-field 1-2 GHz research on galaxy evolution. June 2-5 2009. Groningen, the Netherlands. Edited by G. Heald and P. Serra.
[2] Haynes, et al., 2018, The Astrophysical Journal Letters, Volume 861, Issue 1, article id. 49, 19pp.
[3] Hewish, Bell, et al., 1968, Nature, Volume 217, Issue 5130, pp.709-713
[4] Li & Pan, 2016, Radio Science, Vol. 51, p. 1060-1064
[5] Li, et al., 2018, IEEE Microwave Magazine, Vol. 19, issue 3, p. 112-119
[6] Lorimer, et al., 2007, Science, Volume 318, Issue 5851, pp. 777
[7]Nan, et al., 2011, International Journal of Modern Physics D, Vol. 20, No. 6, p.989-1024
[8] Zhu, et al., 2020, The Astrophysical Journal Letters, Volume 895, Issue 1, id.L6
