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位于贵州平塘县克度镇金科村的一台射电望远镜，全称“500米口径球面射电望远镜”，即FAST，也叫做天眼。所谓射电，就是来自宇宙空间的无线电。我们可以把射电望远镜理解是大号的特殊电视天线，只不过是射电望远镜有可能接收到外星文明的电磁波信号。 图1：FAST建设在一个卡斯特洼地中 FAST之所以建在贵州省一个相对比较偏远的地方，原因在于：一是偏远地方的人类活动少，对望远镜观测的干扰少。二是这里是喀斯特地貌，有接近于一个球冠洼地，可以减少土石方工程量。三是因为喀斯特地貌在地面没有积水，适合望远镜安全运行。 安装大口径球面反射面还要想一些办法。美国的Arecibo望远镜也座落在喀斯特洼地里，也是球面，它是通过复杂的光路来实现聚焦的。这带来的问题是支撑馈源舱的平台很大、很重，象FAST这样的尺度，这个平台的重量会达到10000吨。所以FAST的聚焦需要抛物面。FAST使用下拉索调整口径300米区域的一部分反射面单元，可以形成一个抛物面，观测不同方向的源，使相应区域的反射面变形为抛物面。同时，馈源舱携带馈源在焦面上运动，保证相位中心总是处于抛物面的焦点。 信号被聚焦之后，由接收机接收，再转换为数字信号进行处理。望远镜和观测室相距超过1000米，要采用光纤传输来减少信号衰减。FAST目前有七套接收机，覆盖了70 MHz-3 GHz频段。其中超宽带接收机和多波束接收机进行了试观测，已经取得了相应的观测成果。 一台望远镜的观测效果取决于和观测有关的一些因素。其中包括但不限于灵敏度、空间分辨率、时间分辨率、频率分辨率、带宽、积分时间、地理位置、天顶角、人力及思想（Human bandwidth）。评价一台望远镜本征灵敏度的指标可以用有效接收面积除以系统温度。如果本征灵敏度高，就意味着有效接收面积大，系统温度低。起初，我们对FAST的这个指标没有信心，觉得要达到1600平方米每开尔文都很困难。现在看来，2000平方米每开尔文是可以达到的。有效接收面积一般是不能增大的，主要是系统温度降低了，因为接收机的技术进步了。使用19波束接收机，FAST的系统温度大约为20 K，这就到达了2000平方米每开尔文。FAST在1.4 GHz的波束宽度是2.9角分，满月的宽度是30角分，人眼的分辨率大约是0.3角分。所以从看清楚的角度来说，FAST不如人眼，不过已经很不错了，很多射电望远镜看月亮都只是一个点。关于时间分辨率，由于FAST是数字采样，可以很高，但受限于时间宽度和频率宽度之间的不确定关系（依赖于傅里叶变换的性质造成的）。目前为了探测毫秒脉冲星，时间分辨率设为几十微秒。关于频率分辨率，一般是参考时间分辨率，但也要满足不确定关系。为了搜索外星文明信号，最高频率分辨率为5 Hz。对应0.001 km/s的视向速度分辨率。另外，FAST位于北纬25.6度，可观测天顶角40度。不过，由于地球转动，FAST可观测天区并不是一个椎体。另外，观测效果还与人和思想有关，望远镜自身因素固然重要，但如果人不能把望远镜用好，那么望远镜能做的事也很有限。 FAST到底能看点啥呢？口径和FAST最接近的Arecibo望远镜，他们有一些结果是通过雷达的办法来实现的，这相当于发出了一束光，把要看的目标照亮了然后再看。其它发现包括超脉泽（微波激光）、中性氢成图、脉冲双星、毫秒脉冲星等，可以统归为脉冲星、中性氢、分子谱线。这就是FAST的三个重要科学目标。 根据历史经验，重要的发现通常是未知的未知，但是我们能做的还是要从已知的未知开始。FAST能观测银河系内的中性氢、银河系外其它星系中的中性氢、脉冲星、分子谱线、快速射电暴、外星文明、以及未知的未知。我们一开始说射电望远镜就是天线，意思就是说广播电视天线能收到的，射电望远镜也有可能能收到。 氢是原子量最小的元素，也是宇宙中最丰富的元素，通过对氢的观测可以了解星系的结构或银河系的结构。氢有各种存在形式，我们关心的是基态的中性原子氢，称为中性氢。中性氢会发出波长为21厘米的谱线，频率1420 MHz，在FAST频段之内。宇宙中中性氢虽然多，但很多情况下是稀薄的。如果把每个氢原子想象为发光小球，这些小球是互不遮挡的，那么根据接收到的光的强度，就可以推测有多少个发光小球，也就可以测量中性氢的质量了。 现在已经有对银河系及附近中性氢分布的成图。从图中可以看到银河系、大小麦哲伦云（两个银河系附近的矮星系）。FAST可以对部分天区进行更细致的观测，帮助我们看得更清楚，看到更多结构。河外星系中的中性氢可以示踪一些可见光看不见的结构（比如潮汐作用造成的尾巴）。利用对中性氢的观测，还可以看到可见光看不到的星系间的相互作用。 银河系和河外星系里还有一些别的谱线，比如河外星系中的脉泽，也就是微波波段的激光。激光的特点是亮和单色性好。亮，使得我们可以测量距离很远的源；单色性好，使得我们可以精确测量星系的红移。 脉冲星是一种发出周期性脉冲的天体。这种周期性是由于转动造成的。大部分脉冲星发出射电脉冲，可以用FAST观测。但是，脉冲星只是一部分中子星，其中很多中子星不发出脉冲，或者辐射束不扫过地球，即不对望远镜产生脉冲。脉冲星个头不大，半径10千米，可是脉冲星的质量不小，和太阳相当。中子星是大质量恒星塌缩形成的，它把恒星物质压缩到一个小体积中——原子核和原子核挤到一起，把原子里的空间都填满。我们知道太阳是恒星，它多少天转一圈，有没有可能让太阳一秒转一圈？事实上，太阳每25天转一圈，其他恒星也不可能一秒转一圈，因为离心力不能超过引力，否则恒星就散架了。但是，把恒星物质压缩成中子星，中子星就可以转得很快了。因为角动量守恒，半径变小了，角速度就变大了。 把脉冲星的信号放到相位-频率图上，可以把相位简单理解为时间。我们能看到什么呢？一般是高频信号先到，低频信号后到，因为射电波在星际介质中传播是高频速度快。时间延迟和频率的关系是已知的，所以可以改正时间延迟，把不同频率的脉冲对齐，然后把不同频率的脉冲加起来，就可以得到我们通常理解的脉冲了。这就是搜寻脉冲星的过程。现在FAST已经发现了五十多颗脉冲星了，未来，我们或许能确定快速射电暴的来源，也或许能发现脉冲星和黑洞组成的双星系统，这些都算是已知的未知。 |
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