FAST的前世今生

文/Richard G. Strom（國(guó)際知名天文學(xué)家） 翻譯/姚景云 楊勝良

FAST的前世今生

文/Richard G. Strom（國(guó)際知名天文學(xué)家） 翻譯/姚景云 楊勝良

Astronomers all over the world eagerly await the opening and first results from FAST!

>>摘要 全世界所有的天文學(xué)家們正面對(duì)FAST的運(yùn)行和因此得來的首期效果翹首以盼。

位于波多黎各一個(gè)喀斯特大坑中的美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡——曾經(jīng)是世界上最大的觀測(cè)工具，是二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)影響深刻的一個(gè)重大事件。它五十年前初具成形，隨后不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。如今FAST橫空出世，它不僅具備阿雷西博的許多特點(diǎn)，同時(shí)又進(jìn)行了大量技術(shù)創(chuàng)新，因而顯得無與倫比：

1.球面直徑達(dá)500米（阿雷西博僅305米），其中可用直徑達(dá)300米（阿雷西博只有200米）。

2.外觀呈碟形碗狀，使得FAST能觀測(cè)到更廣闊的天區(qū)，甚至包括整個(gè)北半球。

3.FAST球面可以從球狀微調(diào)為拋物線狀，這是一項(xiàng)特別的創(chuàng)新。這種理想的形式能把從宇宙間收集到的無線電信號(hào)集中到某一個(gè)焦點(diǎn)上。

所有這一切是如何產(chǎn)生的呢？我們先來簡(jiǎn)短地回顧一下FAST工程“前世”。

當(dāng)北京天文臺(tái)幾個(gè)射電天文學(xué)家在中國(guó)射電天文學(xué)之父王綬琯教授的鼓勵(lì)下，積極尋找一種可能的設(shè)備替代現(xiàn)存的射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的概念便應(yīng)運(yùn)而生。

借鑒阿雷西博的經(jīng)驗(yàn)，天文學(xué)家們認(rèn)為中國(guó)西南地區(qū)擁有豐富的喀斯特地形，這為修建一個(gè)大型單面射電望遠(yuǎn)鏡提供了絕佳的條件，F(xiàn)AST的構(gòu)想逐漸形成。

1994年，通過對(duì)備選地喀斯特洼地監(jiān)測(cè)顯示：貴州山地間蘊(yùn)藏著建造大型固定球面反射器的巨大潛力。一年后，一個(gè)國(guó)際研討會(huì)專門討論了FAST實(shí)現(xiàn)的可能性和存在的問題。這個(gè)項(xiàng)目最終獲得官方認(rèn)可、籌集到足夠資金、完成所有設(shè)計(jì)的篩選論證，歷時(shí)十余年之久。所以，直到2011年，工程才正式啟動(dòng)；翌年，工程初見成效。

大體說來，這就是FAST的孕育過程。其實(shí)，在阿雷西博修建之前，世界射電天文學(xué)家就一直在尋求一種以最小代價(jià)獲取最大信息的望遠(yuǎn)鏡建設(shè)方案。1947年，英國(guó)在焦德雷爾班克建立第一個(gè)觀測(cè)鏡，它由多根木柱組成網(wǎng)絡(luò)支架，高高撐起一面拋物線狀反射面。反射面直徑66米（英制218英尺），從球面反射回來的宇宙射電信號(hào)聚焦于固定在高大天線桿終端的雙極子天線上，從而達(dá)到對(duì)太空信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

1951年，在荷蘭北海對(duì)面，射電工程師們利用一個(gè)現(xiàn)存的沙坑為底，沿它表面澆鑄水泥結(jié)構(gòu)拋物面，再在拋物面上布排22米直徑的電線網(wǎng)眼。這種電線網(wǎng)眼可接收來自天體的電波，并將它定向反射到焦點(diǎn)上。和焦德雷爾班克望遠(yuǎn)鏡一樣，荷蘭望遠(yuǎn)鏡也只能利用地球自轉(zhuǎn)，掃射天空一個(gè)帶狀區(qū)域，進(jìn)行單向觀測(cè)。但是在這個(gè)沙坑反射面上，科學(xué)家們進(jìn)行了一項(xiàng)微小的技術(shù)革新，通過傾斜拋物線表面約10度的軸，使一束最亮的射電源穿過鏡面橫梁。

在南半球，澳大利亞射電天文學(xué)家通過一個(gè)安裝在悉尼附近的固定反射體觀察到銀河系中心每天都會(huì)運(yùn)行到達(dá)一個(gè)制高點(diǎn)。這個(gè)固定反射體是一面“地下孔洞”天線，由一群天文學(xué)家用鏟子挖掘出一個(gè)淺沙坑，然后在上面鋪上裸露的金屬線連接起來構(gòu)成。它高居在多佛高地一處懸崖頂部，可以俯瞰遠(yuǎn)望悉尼港入口處的許多地方。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡用來研究銀河系的原子能區(qū)域，成功地使用了許多年。

焦德雷爾班克66米高天線、荷蘭20米天線、悉尼多佛高地22米天線的原理，和現(xiàn)在許多還在持續(xù)運(yùn)行的射電望遠(yuǎn)鏡一樣，都是把拋物線反射面接收到的射電信號(hào)集中反射到某一焦點(diǎn)上。如果想把望遠(yuǎn)鏡指向天空的任何位置，就必須要調(diào)整鏡體的位置。但是，這個(gè)有固定表面的鏡體幾乎是無法調(diào)整的。1965年，一種新的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)使這種想法成為可能。擁有固定球面鏡體的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，借助地理方面的優(yōu)勢(shì)，能將所有穿過球面中心的射線，集中于球面的同一位置，而不再局限于單向觀測(cè)，雖然有一些誤差（球面偏差），但已能輕易、快捷、直接地獲得糾正，就像在文章開頭提到的那樣，F(xiàn)AST向前邁進(jìn)了一步。全世界所有的天文學(xué)家們正面對(duì)FAST的運(yùn)行和因此得來的首期效果翹首以盼。

（責(zé)任編輯/黃莎莎）