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我们有理由期待，它将找到第一批外星人

牧夫天文 · 公众号 · 科学 · 2017-03-07 09:03

正文

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作者：沈环宇

编排：冯中

它是FAST，它是年轻的射电天文学。

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2016年7月3日上午，位于中国贵州省黔南州平塘县克度镇金科村大窝凼（读作dàng，意为塘、水坑）的500米口径球面射电望远镜（FAST，Five hundred meters Aperture Spherical radio Telescope）的最后一块三角形反射镜面开始起吊，并在索网上面安放到位。至此，FAST球面上的全部4450块反射镜面均已安装完毕，望远镜的建设和组装工作宣告结束。FAST的超高灵敏度和高分辨力将助力中国的射电天文学迈向世界前列。

这是一幅FAST望远镜在组装工作临近完成时的航拍实景，可以看到它庞大的主体被黔南群山所环绕。这里在十几年前还渺无人烟，仅有几十户村民住在这儿，而且不通电，老百姓的生活基本与现代文明相隔绝

同样是挂着“望远镜”的名号，FAST却与我们日常熟悉的天文望远镜有很大不同。首先，FAST的口径非常大，达到了500米，即便是观测时的瞬时有效口径也达到了300米。而地面上的光学望远镜口径一般很难超过十米，否则由镜片自身的重量所引发的镜面变形对其成像质量就会有显著影响。其次，FAST似乎被固定在了一口大山坳里，不是像天文望远镜那样被安装在某种脚架上。即使是德国的口径为100米的玻恩射电望远镜，好像也有一个可以令其“摆头”的支架。那么，FAST究竟是一台怎样的设备，它又能在哪些领域帮助中国的天文学家取得领先世界的成果呢？为了了解这些，先让我们一起回顾天文学旗下一门相对年轻的分支学科：射电天文学。

如果说现代物理学起源于牛顿在1687年出版的《自然哲学之数学原理》一书，化学起源于中国的炼丹术和西方的炼金术，微生物学起源于列文·虎克发明的显微镜，那么没有人能说清楚天文学是何时何地起源于何人的研究。历史上，几乎所有的古文明都曾经独立地发展过自己的天文学。只是，当时的视界必然受限于那个年代的观测手段，渠道的局限性在天文学的发展史上表现地尤为突出。总的来讲，人类天文学史上总共有三次观测手段的革新。首先是1610年，意大利物理学家兼天文学家伽利略发明了第一架光学望远镜，使人类得以突破自身生理局限（即暗夜中人的瞳孔所能张开的最大口径，正常人约为7—8毫米），大幅提高了人们在可见光波段的集光能力。目前，经过了三百多年的技术发展，以哈勃空间望远镜为代表的顶尖仪器已经能够令我们观察到宇宙大爆炸后最早一批诞生的星系。如此不可思议的成就在人类引以为傲的同时，也证明了可见光天文学有其自身的极限，在未来难有前沿性的突破。

不同波段的电磁波。可以看出人眼的可见光范围在其中非常狭窄

天文观测手段的第二、三轮革新是有关联的，它们都来自于十九世纪麦克斯韦的经典电磁理论。当时，麦克斯韦敏锐地指出了光其实是一类波长范围极其狭窄的电磁波，在可见光之外，自然界或许还存在其他各类波长的电磁波。这样的预言仿佛开启了一扇通往巨大未知世界的窗户，人们迫切地想知道那些比红光波长更长，或者比紫光波长更短的“不可见光”的世界是什么样的。只是，要想突破十几亿年来的生物进化限制，去自由感受不同波长的世界谈何容易。地球上的生命选定0.7微米到0.4微米的电磁波作为可见光有其背后的原因，那就是我们的太阳。它最强的能量辐射段正好落于可见光的中心：黄光波段。在自然界中，唯有像恒星内部的核聚变这样的物理过程才可能产生可见光，因而在夜空中能被人们直接观察到的目标大都是恒星、星系，或者是被恒星光芒激发的星云等等。然而，宇宙中的绝大部分地方显然都不具备恒星内部的物理环境，相反，是处在某种低温、空旷的亚真空状态。那里的亚真空比地球上最好的实验室所能制造的真空还要空。根据维恩定律，那是毫米波，厘米波，甚至米波的世界。射电天文学由此初露端倪。

卡尔·央斯基（Karl Jansky，1905—1950），美国无线电工程师，44岁英年早逝。为纪念他的杰出贡献，国际天文学联合会射电天文小组委员会于1973年通过决议，使用“央斯基”作为天体射电流量密度的单位，简称“央（Jy）”

最早辨识出天文学的无线电波源完全是个意外。那是在上世纪三十年代早期，美国贝尔公司的一位研究员卡尔·央斯基，在使用巨大的定向天线研究短波噪声的分布时发现：当天线逐渐靠近银河方向时电磁干扰逐渐增大，并且在人马座方向达到极值。他还发现这种噪声干扰会随地球自转，于23小时56分钟（一个恒星日）内完成一轮周期性变化。他最终得出结论，认为这种始终存在的短波本底噪声应当是来自银河系的某种赫兹波。奇怪的是，他当时并没有在短波噪声里面发现太阳的踪迹。直到数年后，第二次世界大战进行地如火如荼之际，一位英国的陆军研究员才在甚高频军用雷达中监测到了来自太阳的强烈电磁干扰。而在此之前，天文学家已经寻找太阳的射电信号很多年了，均没有收获。这一消息直到战后的1946年才公之于众。天文学家查阅了当时太阳的活动记录，得知那几日恰巧有一枚大黑子经过日轮中心。这次的意外证明了两件事：第一，前人明显低估了太阳的射电发射频率，当然，这其中还有甚高频雷达制造技术上的困难；第二，太阳的射电干扰与日面活动的光学现象是有联系的。自此以后，英联邦国家陆续开展了一系列针对太阳的射电观测工作，基本弄清楚了太阳在射电波段辐射强度的变化规律。

地球大气的窗口分布。可以看出大气为人类预留出的两个透明通道，分别是可见光与射电波段。其他对生命有害的诸如X射线、γ射线、紫外线，甚至远红外线都无法穿透地球大气层，就好像我们的可见光无法穿透金星大气层那样

二战结束以后，同射电天文学蓬勃发展相呼应的是X射线和γ射线天文学的兴起。不过，由于地球大气的观测窗口制约，这两门学科必须借助于火箭的力量将观测仪器送往宇宙空间。这无疑大大提高了该领域的研究成本。不过最终结果却是非常值得的。如前图所示，X射线和γ射线是比可见光波长短得多的电磁波，因而常常与某些极端暴烈的物理过程相联系，例如超新星爆发、致密星碰撞、黑洞吸积等等。激烈的物理环境常常蕴含着物理学的新知，因此该领域成为天文学家们趋之若鹜的对象也就不足为奇了。值得一提的是，眼下我们正在经历第四次天文观测手段的革新。这便是引力波的加盟。它极有可能为我们带来宇宙深处关于黑洞合并、暗物质构成等方面的信息，并且引发新一轮颠覆性的天文认知巨变。未来结果如何，我们仍需拭目以待。

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责任编辑：冯中

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