誰(shuí)發(fā)明了射電望遠(yuǎn)鏡

賴迪輝

2016年，F(xiàn)AST（ Five-hundred-meter Aperture Spherical rodio Telescope）任我國(guó)貴州省平塘縣大窩凼（dàng）建成。它由我國(guó)天文學(xué)家南仁東、先生于1994年提出構(gòu)想，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)建設(shè)，是現(xiàn)任世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

射電望遠(yuǎn)鏡是什么？它最早是由誰(shuí)發(fā)明的，經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展過(guò)程？我國(guó)的FAST有何特別，憑什么被稱為射電望遠(yuǎn)鏡中的傳奇？建造它遭遇了哪些困難？它發(fā)現(xiàn)了什么新東西？我們/A“時(shí)代楷模”南仁東先生身上可以學(xué)到什么？……本期《特別策劃》會(huì)將你心中關(guān)于FAST的疑問(wèn)一一解答！

射電望遠(yuǎn)鏡也叫無(wú)線電望遠(yuǎn)鏡，射電中的“電”就是無(wú)線電波的意思，它利用定向天線和靈敏度很高的微波接收裝置來(lái)接收星體發(fā)出的無(wú)線電波，并以此來(lái)觀測(cè)星體。它由收集電波的定向天線、高靈敏度接收機(jī)以及信息記錄、處理和顯示系統(tǒng)等組成。天文學(xué)家只需要通過(guò)分析獲得的信息，就可以研究遙遠(yuǎn)的宇宙空間。射電望遠(yuǎn)鏡的誕生與射電天文學(xué)密不可分。射電天文學(xué)是專門研究天體發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)的學(xué)科，而射電信號(hào)的發(fā)現(xiàn)則是個(gè)偶然事件。

1931年，在美國(guó)新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室專門負(fù)責(zé)搜索和鑒別電話干擾信號(hào)的美國(guó)人卡爾·央斯基（Karl Jansky）發(fā)現(xiàn)了來(lái)自銀河中的射電輻射。這一發(fā)現(xiàn)是天文學(xué)發(fā)展史上的一次飛躍，從此人類認(rèn)識(shí)宇宙的窗口從可見(jiàn)光波段擴(kuò)展到了整個(gè)電磁波范圍。此后，射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展便是不斷提高分辨率和靈敏度的過(guò)程。

自從央斯基宣布接收到銀河的射電信號(hào)后，美國(guó)人格羅特-雷伯就潛心試制射電望遠(yuǎn)鏡，他在自家后院架設(shè)起私人射電望遠(yuǎn)鏡，這是世界上第一架拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡，在二戰(zhàn)之前，全世界也僅此一架。雷伯在1938年成功確認(rèn)了央斯基的發(fā)現(xiàn)，并于1941年完成了無(wú)線電頻率的巡天地圖，射電天文學(xué)從此誕生。在二戰(zhàn)以后，由于建造軍用雷達(dá)而得到空前發(fā)展的微波通信技術(shù)轉(zhuǎn)移到射電天文學(xué)領(lǐng)域，并推動(dòng)了射電天文學(xué)的發(fā)展，各國(guó)陸續(xù)建成了一批大型毫米波和厘米波射電望遠(yuǎn)鏡。

在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)代，人們僅能看到天體的光學(xué)形象，光波容易受到塵埃等物質(zhì)的干擾，而射電信號(hào)則基本不會(huì)受到上述干擾，因此它的傳播范圍很大。射電天文學(xué)為現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)——類星體、脈沖星、星際有機(jī)分子和宇宙微波背景輻射，都是科學(xué)家用射電手段觀測(cè)到的。迄今為止，有10項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予天文學(xué)研究領(lǐng)域，射電天文學(xué)成就了其中6項(xiàng)，充分顯示了這門新興學(xué)科的強(qiáng)大生命力。

類星體是指類似恒星的天體，是一種在極其遙遠(yuǎn)的距離外觀測(cè)到的高光度天體，比星系小很多，但是釋放的能量卻是星系的千倍以上。類星體的超常亮度使其在100億光年以外仍然可以被觀測(cè)到。

世界上很多國(guó)家都對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)傾注了大量熱情，例如位于美國(guó)新墨西哥州的甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡，它由27臺(tái)25米口徑接收器構(gòu)成：位于赤道附近的波多黎各的美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡反射面口徑達(dá)350米?？上У氖?，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金逐年削減阿雷西博的經(jīng)費(fèi)，繼2020年兩次嚴(yán)重的電纜事故后，該望遠(yuǎn)鏡懸掛的接收設(shè)備平臺(tái)于2020年12月1日墜落，砸毀了望遠(yuǎn)鏡反射盤（天線），致使望遠(yuǎn)鏡已基本不再能使用，這位昔日“明星”的窘境令人唏噓不已。此外，還有南半球最大的拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡——口徑64米的澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，德國(guó)波恩的100米口徑可轉(zhuǎn)動(dòng)拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡等。

曾經(jīng)，世界領(lǐng)先的射電望遠(yuǎn)鏡總是落戶國(guó)外，直到FAST建成，才終結(jié)了這段歷史。FAST正式建成后，到目前已有十幾個(gè)國(guó)家的上百名科學(xué)家前往或申請(qǐng)前往當(dāng)?shù)剡M(jìn)行科研活動(dòng)。它的建設(shè)還帶動(dòng)了貴州省的裝備制造業(yè)、鋁制品深加工業(yè)的發(fā)展，貴州高校也陸續(xù)建立了天文學(xué)人才培育基地。貴州省平塘縣打造了以天文科普為主題的特色旅游基地——國(guó)際天文小鎮(zhèn)，吸引了大量游客前來(lái)，帶動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

太空探索不僅給人類提供了一面審視自己的鏡子，還為人類帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)，激發(fā)了人們積極進(jìn)取、樂(lè)觀自信的精神。FAST成就所代表的“追趕、領(lǐng)先、跨越”的科研精神，將成為推動(dòng)天文學(xué)不斷前進(jìn)的動(dòng)力，成為人類科技創(chuàng)新永不熄滅的火種！

美國(guó)加利福尼亞州歐文斯谷電波天文臺(tái)的射電望遠(yuǎn)鏡

SKA計(jì)劃

由于射電望遠(yuǎn)鏡的特殊工作原理，隨著人類無(wú)線電通信技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模的擴(kuò)大，干擾信號(hào)越來(lái)越多，射電望遠(yuǎn)鏡很可能越來(lái)越難以“看清”來(lái)自宇宙的信號(hào)。于是，中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞、法國(guó)、德國(guó)、印度等10個(gè)國(guó)家的射電天文學(xué)家提出一個(gè)超級(jí)大射電望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，希望趕在地球無(wú)線電環(huán)境惡化之前盡可能發(fā)現(xiàn)更多的天體射電信號(hào)。該計(jì)劃名為“Square Kilometre Array”，簡(jiǎn)稱SKA計(jì)劃。它是FAST項(xiàng)目最初的建造原因之一。