錢磊
世界最大射電望遠鏡FAST于2016年投入使用,雖然我國的天文技術(shù)發(fā)展起步較晚,但進步很快, 它能讓科學家有哪些新發(fā)現(xiàn)呢?
FAST,也叫作天眼,全稱是500米口徑球面射電望遠鏡。所謂射電,就是來自宇宙的無線電。如果無法理解什么是射電望遠鏡,就把射電望遠鏡理解為大號的電視天線就可以。只不過射電望遠鏡有可能接收到“外星文明”的電視信號。
它坐落于我國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村,全稱是500米口徑球面射電望遠鏡。
為什么要把FAST建在一個偏遠的地方呢?有幾個原因,首先,偏遠的地方人類活動少,對望遠鏡觀測的干擾少。在望遠鏡選址的時候,F(xiàn)AST周圍的電磁干擾確實少。不過考慮到FAST周邊城鎮(zhèn)的高速發(fā)展,現(xiàn)在FAST的電磁環(huán)境保護也面臨比較大的壓力。其次,把FAST建在這個地方的另一個原因就是這里的喀斯特地形。如果到過貴州省的這一片地區(qū),就會發(fā)現(xiàn)這里有很多洼地,而且很多都接近一個球冠,如果把一個球面望遠鏡放到這些洼地里,形狀差不多剛剛好,不用挖太多的土石方,這對一個工程來說非常重要。第三,如果大家到過這個地區(qū)就會發(fā)現(xiàn),雖然這里雨水很多,但是地面上幾乎沒有河和湖,水都在地下河里,基本上下多大的雨,洼地里也不會積水,這對于望遠鏡的安全運行非常重要。
把一個500米口徑的球面反射面放到一個喀斯特洼地里是不是就可以了?不是,如果要實現(xiàn)聚焦,我們必須想一些辦法。美國的Arecibo望遠鏡也坐落在喀斯特洼地里,也是球面,實現(xiàn)了聚焦,但是通過復(fù)雜的光路實現(xiàn)的。這帶來的問題是支撐饋源艙的平臺很大、很重。放大到FAST這樣的尺度,這個平臺的重量會達到一萬噸,這是不太現(xiàn)實的。所以FAST的聚焦需要拋物面。為了實現(xiàn)這一點,F(xiàn)AST的反射面必須主動變形。
一臺望遠鏡能觀測什么取決于和觀測有關(guān)的一些因素。其中包括但不限于靈敏度、空間分辨率、時間分辨率、頻率分辨率、帶寬、積分時間、地理位置、天頂角、人力及思想。拋開積分時間、帶寬等因素,評價一臺望遠鏡的本征靈敏度可以用有效接收面積除以系統(tǒng)溫度。所以要想本征靈敏度高,有效接收面積要大,系統(tǒng)溫度要低。
其實,科學家們一度對FAST的這個指標沒有信心,覺得大概達到1600平方米每開爾文都很困難。但現(xiàn)在看來2000平方米每開爾文是可以達到的。有效接收面積當然不能增大,主要是系統(tǒng)溫度降低了,近年來,世界上的接收機技術(shù)進步了。FAST在1.4 GHz的波束寬度是2.9角分,滿月的寬度是30角分,人眼的分辨率大約是0.3角分。所以從看清楚的角度來說,F(xiàn)AST不如人眼,不過已經(jīng)很不錯了,很多射電望遠鏡看月亮都只是一個點。望遠鏡能觀測什么,自身因素固然重要,但如果人不能把望遠鏡用好,那望遠鏡能做的事也很有限。
為了回答FAST能看點啥?我們先來看看歷史上,射電望遠鏡都看了點啥。總結(jié)起來即為,脈沖星、中性氫、分子譜線。這也正是FAST三個重要的科學目標。
雖然根據(jù)歷史經(jīng)驗,重要的發(fā)現(xiàn)通常是未知的未知,但是我們能做的還是從已知的未知開始。我們知道FAST能觀測的科學目標有銀河系內(nèi)的中性氫、銀河系外其他星系中的中性氫、脈沖星、分子譜線、快速射電暴、外星文明以及未知的未知。
現(xiàn)在已經(jīng)有對銀河系及附近中性氫分布的成圖。
FAST可以對部分天區(qū)進行更細致的觀測,幫助我們看得更清楚,看到更多結(jié)構(gòu)。河外星系中的中性氫可以示蹤一些可見光看不見的結(jié)構(gòu),比如潮汐作用造成的“尾巴”。中性氫還可以看到可見光看不到的星系間的相互作用。
銀河系和河外星系里還有一些別的譜線,比如河外星系中的脈澤,也就是微波波段的激光。激光的特點是什么?在這里,最有用的特點就是亮和單色性好。亮,使得我們可以測量距離很遠的源。單色性好,使得我們可以精確測量星系的紅移。
脈沖星是一種發(fā)出周期性脈沖的天體,這種周期性是由于轉(zhuǎn)動造成的,類似于燈塔。大部分脈沖星發(fā)出射電脈沖,可以用FAST觀測。脈沖星是一部分中子星,很多中子星不發(fā)出脈沖,或者輻射束不掃過地球,不產(chǎn)生脈沖。脈沖星個頭不大,半徑10千米,大概是一座城市的大小,不過脈沖星質(zhì)量不小,質(zhì)量和太陽相當。
中子星是大質(zhì)量恒星塌縮形成的,就是把恒星物質(zhì)壓縮到一個小體積中。微觀上看,就是把原子核和原子核擠到一起,把原子里的空間都填滿?,F(xiàn)在FAST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了50多顆脈沖星了?;蛟S未來我們能確定快速射電暴的來源,也或許能發(fā)現(xiàn)脈沖星和黑洞組成的雙星系統(tǒng),這些都算是已知的未知。
而那些未知的未知可能用時域——頻域聯(lián)合分析才能發(fā)現(xiàn)。信號就是沙子里面的金子,自然的信號通常是簡單優(yōu)雅的,各種調(diào)制信號通常是人為造成的。不知道外星文明是不是也像我們一樣對信號進行各種調(diào)制,大概率是的。所以外星文明搜尋將面對人工調(diào)制+星際介質(zhì)調(diào)制的信號,這是未來要解決的問題。
來源|科學網(wǎng)博客