望向宇宙深处的中国“天眼”

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所属分类:百科知识2016年

近日,位于贵州省平塘县大窝凼的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST)的最后一块反射面单元成功吊装,标志着这只“观天巨眼”终于睁开了,即将把目光投向宇宙的深处,追踪遥远的信号,搜寻奇异的天体,甚至开展对地外文明的探索。中国“天眼”的开启,还将为射电天文学的发展带来新的机遇。
  时代呼唤“射电巨镜”
  宇宙天体除了发出可见光之外,还发出多种人眼看不见的辐射,如红外线、紫外线、X射线、γ射线、无线电波等。早期的天文学家只能在可见光范围内观测宇宙,但近一二百年来,由于人类陆续发现了多种可见光之外的辐射,并不断研制出能够观测到这些辐射的特殊的望远镜,人类已经掌握了在多种“不可见”波段上观测宇宙的技术,这其中有关射电波的应用是最值得大书特书的。
  
  1931年,美国贝尔实验室的电器工程师央斯基用天线发现了一个可能来自银河系中心的干扰源,这表明宇宙中的天体也是有无线电辐射的。这件事启发了另一位名叫格罗特·雷伯的无线电工程师,于是他在自家后院安装了一个天线,它的主体是一个直径约9米的抛物面,这就是人类第一架为天文观测而制造的射电望远镜。射电望远镜的成像过程比光学望远镜复杂,它要不停地记录接收到的数据,然后通过对数据的处理获得所观测天区的图像。
  射电望远镜的诞生为人类探索宇宙奥秘打开了一个新的窗口,人们称之为“射电窗口”。很快,人们就用射电望远镜发现了大量发射无线电波的天体,这些天体被统称为“射电源”。为了研究“射电源”,一门崭新的学科也应运而生,这就是射电天文学。
  人们早就意识到,遥远的宇宙中存在着很多奇特的现象和神秘的天体,仅仅用普通的望远镜是根本发现不了它们的。例如,人们预言了一种致密的中子星的存在,这种星由挤压在一起的中子组成,中子星的密度高得惊人,直径只有几十千米,质量却比太阳还大。然而多年过去了,人们一直没有证明这个猜测。直到20世纪60年代,英国人乔林斯·贝尔和她的导师安东尼·休伊什用一台射电望远镜接收到了4个奇怪的脉冲信号。经过多方求证,他们终于意识到,那些脉冲信号来自于几十年前就被预言到的中子星的能量辐射。由于中子星是恒星爆炸后产生的反作用力压缩而成的,它们在体积缩小时会高速旋转,那些能量辐射不时会在旋转中扫过地球,于是地球上的射电望远镜就能接收到脉冲信号了,所以中子星也被称为脉冲星。
  脉冲星的发现是20世纪60年代射电天文学迅速发展起来后取得的重大成就,另外几项重要成就包括发现了类星体、宇宙大爆炸的微波背景辐射和弥漫于星际空间的星际分子。
  射电天文学的进步把人们的视线引向了宇宙遥远的边缘,那里隐藏着更多有关宇宙起源和演化的关键线索,黑洞、类星体、暗物质和暗能量等成了破解宇宙之谜的重大课题。于是,全世界的天文学家都非常渴望拥有威力更加强大的射电望远镜。人们意识到,谁拥有了这种望远镜,谁就更有可能站立在现代物理学和天文学的潮头,成为破解宇宙之谜的领军力量,这就是我国科学家为什么要建造一架世界顶级射电巨镜FAST的原因之所在。
  应运而生的FAST
  FAST借助一个天然的圆形溶岩坑建造,主体是一面巨大的反射镜,由几千块反射面板拼装而成,其边框为环形钢梁,众多钢索依托钢梁悬垂交错,构成一个球形网,用以支撑FAST巨大的反射镜。这个反射镜的总面积约25万平方米,相当于30个足球场的总合。它面向苍穹,扫描太空,堪称探索宇宙奥秘的中国“天眼”。
  建造FAST是对我国望远镜设计和制造技术的一次严格检验,因为FAST要把覆盖30个足球场的信号聚集在药片大小的空间里。要实现这样毫米级的精度,难度是可想而知的。首先,由于热胀冷缩,钢结构很容易变形;其次,FAST的天线锅是一个标准的球形,在工作的时候,它要通过变换形状以在适当的地方形成300米直径的抛物面,FAST用这种方法转换天线的方向,所以,它必须非常易于操作。科学家们通过控制近万根钢索以实现镜面的连续变形,这无疑需要高超的工程技术予以支持。除此之外,FAST最令人惊叹的奇迹自然就是它的灵敏度了,它能探测百亿光年之外的射电信号,能精确探测宇宙中的物质成分,它的每块反射面上都可进行对焦,它的灵敏度相当于美国阿雷西博望远镜的2.25倍,巡天速度是它的10倍。
  随着FAST的正式竣工,它将成为全球最受期待的“观天巨眼”。那么,这个号称“天眼”的射电望远镜会给我们带来怎样的发现呢?要回答这个问题,还是让我们回头看一看与FAST最为相似的单天线射电望远镜吧。在FAST诞生以前,它当之无愧地处于望远镜家族的“霸主”位置,它就是位于波多黎各岛上的美国阿雷西博射电望远镜。
  射电巨镜已有的辉煌
  阿雷西博射电望远镜口径350米,建成于1963年,它原来的天线是金属网,20世纪70年代初改建成金属板拼接而成的球面。此后,在80年代和90年代,阿雷西博射电望远镜也进行过升级,性能得到了提高。
  从建成之日起,阿雷西博射电望远镜就是天文学家们梦想的探索利器,几千名研究者使用过它,用它研究类星体、脉冲星以及处在宇宙边缘的其他射电源。1990年,来自波兰托伦天文学中心的亚历山大·沃尔兹刚利用因等待维修而闲置下来的阿雷西博射电望远镜从事了一次相对简单的巡天观测,即让望远镜跟随地球的自转“漫无目的”地搜索天空,看看能不能发现些什么。不到10天,他就发现了脉冲星PSR B1257+12。这颗星很特别,脉冲信号时而早一点,时而晚一点,表明它的旁边可能有天体影响着它。经过大量的分析,沃尔兹刚认为,这颗脉冲星的周围有3颗行星,其中有一颗质量只相当于地球质量的十五分之一。即使在现在,这颗行星也是人们知道的绕着除太阳之外的另一颗恒星运行的最小的行星。多数人都认为脉冲星不会拥有行星,然而沃尔兹刚的发现否定了这种观点。这次发现还首次证明,在太阳系之外的确存在着“系外行星”。事实上,人类在太阳系外发现的首批行星就是脉冲星PSR B1257+12周围的这3颗行星。到了1995年,人们才在一颗类似太阳的恒星周围发现了系外行星飞马座51b。
  在脉冲星周围发现行星,大约只有像阿雷西博射电望远镜这样的“超级巨眼”才能做到,在它长达半个世纪的“生涯”里,还完成了很多著名的探索,把射电天文学推到了一个新的高度。例如,1974年美国物理学家约瑟夫·胡顿·泰勒和拉塞尔·艾伦·赫尔斯发现了一个射电脉冲双星系统PSR191316。两位科学家利用阿雷西博射电望远镜对这个双星系统进行了上千次观测,获得了20年的轨道周期值。他们的观测结果与广义相对论计算的结果十分相符,从而证实了引力波的存在。1993年,泰勒和赫尔斯双双荣获诺贝尔物理学奖。

雷伯的射电望远镜

  在辽阔的宇宙中寻找智慧生命,这是人们从事了半个世纪的工作,而阿雷西博射电望远镜也做了非常理想的尝试,因为射电波以光速传播,效率高,速度快,是最切实可行的办法。
  那次尝试是用阿雷西博射电望远镜向银河系的武仙座球状星团M13发送射电波,内容是一连串数字,它们构成了一幅由1和0组成的电码图,其含意包括氢、碳、氮、氧、磷等元素的原子序数,人类的DNA构造,人体的外形和身高,地球在太阳系中的位置等。M13包含几十万颗恒星,距地球约2.51万光年,所以这份“电报”要在宇宙中“旅行”2.5万多年才能抵达目的地。假若“外星人”收到了这份“电报”并且向我们回复,那么又需要2.5万多年才能被我们收到。
  阿雷西博射电望远镜能接收从目标反射回来的信号回波,这使它有能力获得被探测物体的表面图像,也能探测目标天体上是否有水冰的信息,它用这种方法探测了月球和水星的极区,是一种很巧妙的“找水”途径。
  FAST会为我们带来什么?
  相对于阿雷西博射电望远镜,FAST显然可以做更多的事,并且获得更好的效果,因为它的接收能力更强,灵敏度更高,还使用了一些前所未有的创新技术,这使它的综合性能得以大幅提高。
  FAST会在探索脉冲星方面大显身手。自20世纪60年代贝尔和休伊什发现了脉冲星后,人们迄今已发现了2000余颗脉冲星,然而这些脉冲星都存在于银河系之内,银河系之外的其他星系是否也有脉冲星?它们又有什么特别的地方?这是人们非常想知道的,而FAST的强大功能完全能满足人们的这个愿望,因为它有能力在“河外星系”中发现脉冲星。FAST能在一年时间里发现数千颗脉冲星,它将建立一个脉冲星计时阵,参与未来的脉冲星自主导航和引力波探测。
  FAST将观测宇宙中的中性氢。中性氢是一种气体,会发射波长为21厘米的电波。早在20世纪中叶,科学家就曾利用中性氢探索了银河系的形状,他们用射电望远镜观测银河系中的21厘米电波,从而更详细地了解了银河系的结构和形状,银河系旋涡结构的若干细节就是用这种方法得到的。而FAST将瞄准更加遥远的宇宙深处,从而揭秘星系和宇宙演化的奥秘。
  FAST是人们研究类星体之谜的利器。类星体是一种奇怪的射电源,此前研究认为,多数类星体是一种非常活跃的早期星系,被称为活动星系,它们离我们非常遥远,且拥有一个非常明亮的核。这个不可思议的核是怎么来的呢?原来,在活动星系中隐藏着一个高速旋转的“超大质量黑洞”,正是这个黑洞的巨大引力“点燃”了活动星系中的密集物质,从而使活动星系的核变得极为明亮,乃至于离我们非常遥远也能被望远镜观测到。研究类星体是人们了解星系和宇宙演化的重要环节,然而人们至今对它们的了解还非常不足,所以FAST对类星体的观测将非常值得期待。
  FAST将成为甚长基线干涉测量网的主导力量。甚长基线干涉测量是一种用于射电天文学中的天文干涉测量方法,它用多个天文望远镜同时观测一个天体,模拟一个大小相当于望远镜之间最大间距的巨型望远镜的观测效果。使用这种方法,FAST将发挥重要作用,从而帮助天文学家们获得天体的超精细结构。
  FAST还将作为高灵敏度雷达对空间目标,包括卫星、空间碎片等进行监视和成像。

美国阿雷西博射电望远镜

  事实上,FAST要做的事情还有很多,如宇宙大尺度物理学、日地环境研究、寻找地外文明,等等。尽管FAST和阿雷西博射电望远镜都是探索宇宙的“射电高手”,但后者毕竟建造于20世纪60年代,而FAST则使用了更新的技术,诸多方面得到全面提升,所以FAST将成为单口径射电望远镜的“霸主”,并且将一直领先几十年。在许多方面,FAST的“本领”是独一无二的。例如FAST的球面由几千面主动反射单元构成,每个单元都可以对焦,因此灵敏度比阿雷西博望远镜高得多,巡天速度也快很多。此外,阿雷西博射电望远镜是固定望远镜,不能转动,只能通过改变天线馈源的位置扫描天空中的一个带状区域,而FAST则能扫描更广阔的天空,这种独到之处也将大大提高它的观测能力。
  作为一架世界顶级巨镜,阿雷西博射电望远镜的确创造了它曾经的辉煌,但FAST将超越这架望远镜,成为新一代射电巨镜的领头羊。在天文学领域,这种超越和竞争经常发生,且从未停止,它是推动天文学向前发展的重要动力,也把人类对自然世界的认知能力不断地带往新的高度。可以预测,FAST必将不辱使命,为射电天文学的发展带来全新的机遇。
  【责任编辑】庞 云
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