望向宇宙深處的“天眼”

李偉

美國阿雷西博望遠鏡發(fā)生事故

美國宇航員和哈勃望遠鏡

自2021年3月31日起，有“中國天眼”之稱的FAST面向全球開放，各國科學家均可提出申請，經審核后可使用FAST開展觀測和研究。2020年12月，美國阿雷西博射電望遠鏡的接收設備平臺墜落，砸毀了反射鏡，難以繼續(xù)工作。在阿雷西博射電望遠鏡重建之前，F(xiàn)AST成為全球唯一可執(zhí)行太空觀測任務的超級“天眼”。

那么，射電望遠鏡具有哪些功能？在人類探索太空方面能夠發(fā)揮怎樣的作用呢？

與地外文明溝通的首個渠道

據美國《大眾科學》雜志報道，射電望遠鏡被稱為望向宇宙深處的“天眼”。它配備收集電波的定向天線、放大電波信號的高靈敏度接收機，以及信息記錄、處理和顯示系統(tǒng)。它能夠接收和分析來自遙遠天體的電波，測量電波的強度、頻譜等。它能發(fā)現(xiàn)高能量天體和高能輻射現(xiàn)象，定向觀測黑洞、中子星等，還能探測到光學望遠鏡看不到的許多星體。

20世紀60年代，國際天文學界獲得了4項非常重要的發(fā)現(xiàn)：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子。這4項發(fā)現(xiàn)都借助了射電望遠鏡。

射電望遠鏡的一個重要用途是探索太空，搜尋地外文明。哪個國家先接觸地外文明，哪個國家就可能先接觸外星的先進技術，并對這些技術實施“逆向研發(fā)”。從理論上說，地球文明與地外文明之間可以通過電波信號進行交流和聯(lián)絡。射電望遠鏡有望探測到微弱的外星電波信號，可能成為地球文明與地外文明溝通聯(lián)系的首個渠道。

為星際旅行尋找參照點

據日本《大人之科學》雜志報道，發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星，是射電望遠鏡的一個重要功能。2016年9月，中國FAST開啟試運行，僅用兩年時間就發(fā)現(xiàn)了59顆脈沖星。人類發(fā)現(xiàn)脈沖星的難度很大，需要極為先進的觀測技術。射電望遠鏡能夠在短時間內發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星，足見其觀測能力之強。

脈沖星具備位置、能量相對穩(wěn)定的特點，因此可以作為星際定位的參照點。人類的星際旅行少不了要利用這種天體。脈沖星就是旋轉的中子星，因不斷地發(fā)出電磁脈沖信號而得名。從脈沖星中遴選出信號穩(wěn)定的星體，可以應用于星際導航。所以，各國利用射電望遠鏡發(fā)現(xiàn)的脈沖星是多多益善的。

《大人之科學》指出，射電望遠鏡的另一個重要功能是收集宇宙微波背景輻射并進行分析，這對探索宇宙的起源具有重大意義。

報道形象地把原始宇宙描述成一個雞蛋，它在微波爐里被加熱，在瞬間炸裂，物質噴射的速度極快，并發(fā)出嘭的聲響，聲波向四周傳遞。隨著時間的推移，微波爐中的溫度降低，雞蛋爆裂產生的聲波也越來越弱——這就是宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景輻射的傳播速度達到光速。在宇宙大爆炸初期，距離地球非常遙遠的爆炸中心產生的輻射，要經過一定的時間才能傳到地球。輻射產生的地點離地球越遠，強度就越小。這就好比遠處的喇叭聲聽上去不及塞在耳朵里的耳機聲。宇宙微波背景輻射到達地球的時間，會隨著距離的延長而增加。

試想一下，如果某一輪宇宙微波背景輻射是從距地球140億光年的地方發(fā)射出來的，那么這一輪輻射就要經過140億年才能到達地球。宇宙誕生至今有146億年。也就是說，射電望遠鏡探測到的這一輻射，是宇宙誕生6億年的時候產生的，通過它可以獲取并分析宇宙誕生初期的信息。

從太空到地面

據美國《太空》雜志報道，人類用于探測宇宙的望遠鏡，按其部署位置可以分為太空望遠鏡（由衛(wèi)星搭載在太空軌道上運行）和地面大型望遠鏡。兩者都發(fā)揮著非常重要的作用。

對于太空中的科研設備來說，最大的考驗莫過于極端溫度。據美國航空航天局（NASA）專家介紹，太空望遠鏡在軌道上運行時，有時要經受零下243攝氏度的極低溫度的考驗。美國的哈勃望遠鏡雖然性能出色，但其因低溫導致的故障令科學家頭疼，NASA不得不耗費巨資進行維修。

為了讓太空望遠鏡能在如此“冷酷”的條件下安然無恙地完成任務，科學家選用金屬鈹作為鏡面主要材料。鈹是地球上極輕的金屬之一，且具有無與倫比的抗熱脹冷縮性能，因此它能在很大的溫度變化范圍內保持穩(wěn)定性。

太陽和地球散發(fā)出的熱量對于太空望遠鏡來說也是嚴峻的挑戰(zhàn)，即使微小的熱量也可能使望遠鏡的電波探測受到干擾。因此，遮陽板是太空望遠鏡至關重要的組件。科研人員為新式太空望遠鏡制造的遮陽板多達5層，由高性能絕緣材料制成。

新式太空望遠鏡的“撒手锏”是科研人員為它開發(fā)的新裝備——靈敏度極高的紅外線探測器。它對電波非常敏感，能探測太空中極為微弱的紅外線。另外，它的分辨率比以往的太空望遠鏡高。其探測器把光子轉換成電子后，可生成高分辨率電子圖像，傳送給地面控制中心。科學家可以利用大型電子計算機遠程控制太空望遠鏡，盯住想要觀測的星體。在電腦指令的控制下，太空望遠鏡能同時觀測多達上百個星系。

理論上說，衛(wèi)星上的太空望遠鏡能找到上百億個天體。在目前各國運行的太空望遠鏡中，基礎型號能夠同時觀測1000個天體，而先進型號能夠同時觀測多達4000個天體。這些太空望遠鏡可以幫助科研人員探索更多的星系和星體。

射電望遠鏡的工作原理是把輻射在反射鏡上的電波精確匯集到一點。望遠鏡的反射鏡越大，收集到的電波就越多。因此，射電望遠鏡的口徑直接關系到其探測能力。試想，在雨天把一個大漏斗和一個小漏斗同時放在室外，哪個能收集到更多的雨水呢？

太空望遠鏡由衛(wèi)星搭載，在太空軌道上運行，其體積和質量都受到限制，自然難以配備大口徑反射鏡。因此，大型射電望遠鏡只能部署在地面上。

以中國FAST為例，其優(yōu)勢是太空望遠鏡無法相比的：首先是其接收面積大，數千塊反射板組成的鏡面，面積相當于30個足球場;其次是它采用高度智能化設計，由AI系統(tǒng)進行控制，可實現(xiàn)高精度定位觀測。

位于貴州的中國FAST

南極：望遠鏡最佳部署位置

據美國《華盛頓郵報》報道，一些國家計劃在南極制高點——冰穹A地區(qū)部署天文望遠鏡，利用得天獨厚的環(huán)境條件進行太空觀測。

南極冰穹A地區(qū)堪稱全球最佳天文觀測點。第一，那里的可觀測時間長。其每年有135天是黑夜，且晴空時間多達90%以上，不僅可實現(xiàn)連續(xù)觀測，還有利于觀測到系外行星。第二，那里的大氣環(huán)境可與太空媲美。冰穹A地區(qū)上空大氣稀薄，晴冷、干燥、塵埃少，可使望遠鏡發(fā)揮出最大的效力。第三，那里的大氣幾乎不流動，風速小，平均風速低于2米/秒，從來沒有4米/秒以上的風，最適合用望遠鏡進行觀測。第四，那里雖然是南極海拔較高的地區(qū)，但屬于高原，而非山地，其地勢平坦，高低起伏兩三米，適合部署大型望遠鏡。第五，那里是全球天空視角最大的地點，可以極大地提高觀測效率。

據美國《太空》雜志報道，各國在南極冰穹A地區(qū)聯(lián)合設置天文觀測站，是一個可行的計劃。人類目前開發(fā)的太空探測器，雖然能夠直接接觸一些星體，例如月球和火星，取得重要的探測成果，但這類探測器成本高昂，操控難度極大。在很長一段時間內，人類還要依靠望遠鏡來探測廣闊的宇宙。它們是探索遙遠的星體和地外文明的基礎設備。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com