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1931年，美国人葛罗特·雷伯在自家后院建了一个直径9.5米的“大锅”，这就是最早的射电望远镜。射电望远镜是一种观测和研究来自天体的射电波的设备。而射电波其实是能够穿透地球大气层到达地球表面的电磁波。雷伯在1939年开始用这个射电望远镜接收来自银河系中心的电磁波，并根据观测数据绘制了第一张射电天图。这标志着射电天文学的诞生。 经过30多年的发展，射电望远镜家族诞生了一个巨无霸，它就是位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜，它的直径达到了305米。这个巨大的尺寸使它从1974年至2016年，都占据着世界最大射电望远镜的位置。此外，科学家们还建造了覆盖范围更大的射电望远镜阵列。目前在建的最大的射电望远镜阵列是“平方千米阵列”（SKA），它的覆盖范围跨越了欧洲、非洲和大洋洲。不过，科学家预计，在未来二三十年，射电望远镜领域可能将由一个大块头——FAST称霸！ 射电望远镜中的巨无霸 FAST其实是“500米口径球面射电望远镜（The Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope）”的英文简称，而在我国，它的昵称是“天眼”。不过，“500米口径球面射电望远镜”这个名称不够准确，因为FAST的口径不是500米，而是520米。 FAST位于我国贵州省平塘县的一个天然的喀斯特洼地中。虽然名称里有“望远镜”这3个字，但是射电望远镜与一般的望远镜不同，它没有物镜，也没有目镜，只有天线和接收系统两大部分组成。FAST的主要结构就包括主反射面（天线）、馈源舱（用于安放接收和信号传输系统的装置）以及望远镜的支撑结构。 FAST的主反射镜由4450块边长为11米的三角形铝板和177块异形板构成。它的支撑结构包括一张巨大的主索网和一个巨型圆环钢梁。主索网看起来就像一张巨大的渔网，这张网最外面由巨大的圆环形钢梁支撑。所以整个支撑结构看上去更像一个大型的笊篱，反射面板就铺设在网眼中。 FAST的馈源舱悬空于主反射面中心的上方，由6个绳索连接到外面的6根支撑塔上。在这个小舱室中不仅装有能接收信号的馈源，还有能放大信号的装置以及向观测室传输信号的系统，它就像FAST的“眼珠”。 这样看起来，FAST除了个头大，也没什么特别的了。那么，FAST有什么样的过人之处，以至于它在未来二三十年能成为最优秀的射电望远镜？ 大块头与灵活小个子的较量 单口径大型射电望远镜通常是固定的，如阿雷西博射电望远镜。由于不能转动，所以固定的大型射电望远镜所能观测的天区有限，并且跟踪目标的灵活性也比较差。 那么，建造可全方位转动的射电望远镜是否可行？目前最大的可转动的射电望远镜直径为100米，其中一个是1971年建于德国的北莱茵-威斯特法伦州的“埃菲尔斯贝格射电望远镜”，另一个则是2000年建于美国西维吉尼亚州的“罗伯特·C·伯德绿岸望远镜”。以现在的技术，要建造直径大于100米的可操纵转动的射电望远镜是比较困难的。这是因为口径越大的望远镜，体积通常也越大，而要让这些体型巨大的家伙转起来并不那么容易。 当然，建不成大型可转动的射电望远镜，还可以考虑建射电望远镜阵列，望远镜阵列的一大优点是覆盖面广、可观测天区面积大。目前在建的世界上最大的射电望远镜阵列“平方千米阵列（SKA）”是一个跨洲项目，该项目将连接欧洲的“LOFAR”低频阵列望远镜、南非的“MeerKAT”厘米波射电望远镜和澳大利亚的“ASKAP”平方千米阵列射电望远镜，对整个天空进行协同观测，相当于口径超过1000米的巨型射电望远镜。这样对比起来，建造一个望远镜阵列似乎比建造一个大型的望远镜更容易，效果可能也更好。 但是，射电望远镜阵列也有缺点。虽然射电望远镜阵列覆盖的面积广，能观测的天区更大，但是组成阵列的单个望远镜都比较小，灵敏度比不上大型单口径射电望远镜，因此它们很难检测到较弱的射电信号。所以相比较而言，它们更适合用来研究那些已经被发现的、信号较强的射电源。 此外，建一个望远镜阵列需要投入更多的资金。仍在建的SKA项目的总投资预计超过了130亿人民币，而FAST的造价则是12亿人民币。而如果想让SKA拥有像FAST那样的高灵敏度，那还需要投入更多的资金来改进或者更换它们的设备。 所以，从实用性和造价的角度来说，目前建造像FAST这样的大型单口径射电望远镜是比较好的选择。 大块头与大块头的比拼 如果要论射电天文学中的功臣，阿雷西博射电望远镜肯定名列其中。在FAST建成之前，阿雷西博射电望远镜是世界上最大的单口径射电望远镜，它位于波多黎各一个天然的喀斯特洼地上。到目前为止，基于阿雷西博射电望远镜的观测数据，科学家们已经有了许多重大发现，其中最引人注目的发现是美国物理学家约瑟夫·胡顿·泰勒和拉塞尔·艾伦·赫尔斯利用这个望远镜发现了能证明引力波存在的证据。他们也因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。 作为后起之秀，FAST除了个头比阿雷西博射电望远镜大，它还有一些特殊的“技能”。 首先，FAST的球面反射镜可以改变角度。FAST和阿雷西博射电望远镜一样都是不能转动的，不过，FAST有一项高超的“技能”——通过改变主反射镜的形状来扩大检测天区的面积。 从总体结构上来说，阿雷西博射电望远镜和FAST结构相似，主反射面都由主索网支撑，而组成主反射面的三角形铝板的顶角处都有一个索网节点，FAST的秘密武器就藏在节点的下方。FAST索网的每一个节点下方都有下拉索，而每一个下拉索都连接着一个机器人。当这些小机器人按照指令一起工作时，就能通过拉动铝板，使主反射镜在不同的区域都能形成一个直径300米的抛物面，这使FAST可观测的天区更广。这就像我们的头没有转动时，眼睛的转动也能使我们的视野变宽一样。拥有了这项“技能”，FAST就能观测到它正上方向任何方向偏转40°角的天空，这是阿雷西博射电望远镜的两倍。 此外，与阿雷西博射电望远镜相比，FAST配备的馈源结构更轻巧。阿雷西博射电望远镜的馈源结构比较复杂。整个结构由三角形平台、悬挂并能使馈源舱滑动的钢架以及馈源舱组成。三角形平台由3个支撑塔挂起，平台的下方是一个条状钢架，钢架的下方挂着馈源舱，馈源舱能在钢架上滑动，就像一列来回运动的火车。通过馈源舱移动，阿雷西博射电望远镜能扫描约20°的带状区域。 而FAST的馈源结构仅包括被支撑塔挂起的馈源舱，因此体积和质量都很小。整个馈源舱的直径大约10米，重30吨。馈源舱能通过特殊的转向机构和制动系统的控制，根据主反射面在不同区域形成的抛物反射面，精确定位这个反射面的焦点。因此尽管FAST的馈源结构更小，但丝毫不影响FAST接收信号的能力。 而从综合性能上来说，FAST的综合性能比阿雷西博射电望远镜高10倍。可见，取代阿雷西博射电望远镜的地位， FAST是靠实力取胜的。 FAST能做什么？ FAST有一个重要的作用，就是观测分散在宇宙中的中性氢。中性氢由不带电的氢原子组成，它们组成了恒星的大部分以及像木星和土星那样的气态行星，它们还是星际介质的主要组成成分。通过检测中性氢集中的区域，可以确定螺旋星系的旋臂结构。而通过检测距离我们更远的区域的中性氢，还能发现星系之间的引力扰动。此外，对中性氢的大规模搜索将有助于解开星系的形成和演化，对寻找暗物质和暗能量也是非常有用的。 然而，在距离较远的情况下，是看不到氢原子的。那么要怎样才能找到中性氢呢？中性氢由质子和电子组成，在特殊的情况下，中性氢会产生一种波长为21厘米的微弱的电磁波，从而暴露自己的行踪。通过观测这种特定波长的电磁波就能发现中性氢的踪迹。FAST在搜寻中性氢这方面有一手，它能够将中性氢产生的微弱电磁波信号放大19倍。这意味着，它有更大的几率能检测到宇宙中的中性氢，并能更详细地观测它们。 除了搜索中性氢，FAST最擅长的工作还有寻找脉冲星。 脉冲星是中子星的一种，它们的电磁波信号长期稳定并有规律地扫过地球，它被认为是自然界中最稳定的“时钟”。而根据脉冲星信号长期稳定且有规律这一特点，我们可用它来为原子钟校准。而由10到20个自转稳定的脉冲星组成的脉冲星计时阵，还能更精确地检测原子钟的时差。FAST的一项主要工作就是寻找脉冲星，建立脉冲星计时阵。 大多数脉冲星发出的是射电脉冲，因此它们的信号能在射电波波段被检测到。但是由于脉冲星与我们的距离遥远，在地球上的我们能检测到的脉冲信号很微弱，再加上星际物质对信号的干扰，因此要观测、分辨脉冲星，准确地检测到它们的信号并不容易。据统计，自射电望远镜诞生至今，人类大约发现了2500颗脉冲星。 而FAST自有寻找脉冲星的法宝——能检测的信号频率为70兆赫～3千兆赫。这意味着几乎所有波段的射电波都逃不过FAST的眼睛，因此FAST能较轻松地观测到发出射电脉冲的脉冲星。并且FAST的灵敏度高，观测的天区也比较大，这也有利于对脉冲星的搜索。据估计，如果FAST的工作时间全部用于寻找脉冲星，那么它只需一年就能找到4000颗左右的脉冲星。科学家还认为，FAST将发现第一颗银河系之外的脉冲星——最可能位于距离我们200万光年的仙女座星系。它甚至有可能在一年的时间内找到50到80颗银河系外的脉冲星。这样的能力是阿雷西博射电望远镜远不及的。 此外，FAST可能会成为帮助人类搜寻地外文明的好助手。FAST能监听宇宙中有机分子发出的独特的电磁波，理论上能接收到137亿光年之外的电磁信号。而根据FAST接收到的信号，科学家能够判断哪里可能存在高智慧生命，哪里是生命的荒漠。而如果银河系中真的存在高智慧的外星人，那么FAST将会很快发现他们的“人工信号”，定位他们的藏身之处。未来，在FAST的帮助下，人类找到地外文明的几率会更高。 随着FAST投入使用，射电天文学即将进入一个新的发展阶段。在FAST的帮助下，科学家们有机会在茫茫宇宙中搜寻到外星人发送的无线电波；还可能会发现更多奇怪的天体和奇异的现象，比如一个脉冲星和一个黑洞结对的现象；甚至可能会窥探到暗能量、暗物质的秘密。让我们期待FAST的精彩表现。 |
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