我们有理由期待，它将找到第一批外星人（续）

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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。

接上篇

下面我们回到射电天文学的发展历程上来。纵观二十世纪天文学领域曾经拿到过的九次诺贝尔物理学奖，射电天文学占去了其中的五次，比例超过一半。它们分别是：

1974年脉冲星的发现

1974年孔径综合技术的发明

1978年宇宙微波背景辐射的发现

1993年脉冲双星与引力波辐射

2006年宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性

曾几何时一说起诺贝尔奖，射电天文学家们都是非常自豪的。然而事实上，射电天文学的强大威力是在前辈们不断地摸索过程中间被慢慢揭示出来的。在射电天文学的发展初期，同许多新兴学科一样，极少有人看好它，其原因主要是在观测的分辨率方面。针对电磁波的汇聚系统，有一个著名的瑞利判据：

公式的左边是仪器的最小分辨角，代表电磁波波长，代表仪器口径。针对射电望远镜，假设其有效口径为10米，工作于中性氢的21厘米波段，则容易计算出该仪器在天球上的分辨率约为1.5°，覆盖面相当于九个太阳的视面积！如此看来，即便是利用大型射电望远镜巡天，那效果也好像是一个高度近视患者的视野，分辨率之低，令人很难将天球上的射电源同星图目标一一对应起来。谁知后来，英国的一位著名天文学家马丁·赖尔利用孔径综合技术一举破解了这个难题。他发现射电望远镜与传统设备不同的一点是：它可以在工作的时候同时记录下电波的相位信息。于是，他想到了利用相距遥远的两架望远镜联合观测的方法来提高目标分辨率。这就使得射电望远镜的分辨水平一举超越了传统的光学望远镜，理论上甚至可以达到后者的一万倍！而在今天，我们已经能够利用VLBI（Very Large Baseline Interferometry，甚长基线干涉测量技术）的众多射电望远镜阵列来追踪距离银心黑洞仅数百个天文单位的恒星运动轨迹。

另外，同传统的天文学相比，射电天文学还有两个无与伦比的先天优势：第一，不受太阳和天气的影响，可全天候工作；第二，反射面的加工要求相对宽松。第一条初看起来很不可思议，普通人往往有一个牢不可破的成见，认为天文学家只能在晴朗而漆黑的夜晚工作。其实不然。前面也提到了，在二十世纪三十年代，人们首先在射电波段注意了银河系辐射的存在，之后才在太阳活动爆发的时候偶然察觉到了太阳的射电辐射。尽管后来科学家证实了太阳在“平静期”也存在微弱的射电辐射，但相比于来自银河方向的强烈信号简直可以忽略不计。另外天气方面也是如此，除非是那种四周电闪雷鸣的恶劣雷暴，否则都很难影响到射电望远镜的正常工作。至于第二条我们需要了解的事实是：一台望远镜的反射面加工精度往往制约了它的工作波长。举个例子：若要在观测波长为

的电磁波的时候获得足够高的信噪比，反射面的误差不能超过。对应到射电领域，这样的数值往往处在毫米量级上。相比于光学望远镜动辄几十个纳米的精度要求，这已经算是容易做到的了。不过值得注意的是，射电天文学的第一项优势在上世纪中期还比较突出，可是近年来，随着各类电器和无线技术的普及，地球上的无线电环境也在逐年恶化中。同举目可见的光害不一样，除非是相关从业者或爱好者，否则，无线电环境的恶化是常人难以察觉的。现任FAST总工程师的南仁东教授就曾坦言，要说FAST真正让人不放心之处，就是今后附近能否保持绝对的无线电静默。据说FAST项目在初建的时候，单是为了说服当地政府不要在附近大肆兴建观光设施，参观者也不允许携带手机等等这类事情上就非常有阻力。许多人不能理解，一公里外一枚小小的手机会对眼前的庞然大物有什么损害。其实，这方面早有前车之鉴。河北兴隆的LAMOST（郭守敬望远镜）项目就因选址不当，以及当地政府大兴土木等原因，深受光污染的影响，导致其建成数年后一直无法达到设计之初所预想的效果。我认为，今后此类事件应当引起有关部门的足够重视。许多科研项目并不是说花了钱就能办成的，配套的措施一定要到位，政策一定要倾斜，不然，国家花重金建造的巨型科研设备最终只能沦为大而无用的“艺术品”，不仅令纳税人寒心，也令国外同行耻笑。

1963年11月1日，位于波多黎各的美国阿雷西博望远镜正式建成，一直到今天它都是世界上最大的单面射电望远镜，口径305米，依托波多黎各的碗状喀斯特地形而建。由于阿雷西博的反射面本身不能运动，因而只能通过改变接收装置的位置来扫描天顶附近一个宽约20°的一个带状区域。即便如此，它的极高灵敏度还是为天文学家们带来了许多重大发现。其中最激动人心的便是1974年泰勒与赫尔斯发现的第一对射电脉冲双星，他们利用其检验了爱因斯坦的引力波辐射预言，结果同广义相对论的计算完全一致。两人因此获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

中国的FAST项目灵感来源于美国阿雷西博望远镜，却并非它的简单翻版。FAST克服了阿雷西博反射面无法运动的先天缺憾。在计算机自动程序的帮助下，FAST能在观测瞬间从500米的巨型球面上自动生成一面口径略小的300米抛物形反射面。这样一来，FAST不仅大大扩展了自身的观测范围（在天顶附近达到40°），还能主动抵消地球的自转效应。这个过程虽然在原理上来说很简单，可若要付诸实践，技术难度必然不小。前面提到过，射电望远镜的反射面容许误差通常都在毫米量级。可是对于直径500米的FAST，光是反射面支撑结构在冬夏两季的热胀冷缩都要变化出三十多个厘米，要保证300米的反射面在位置调整的时候误差不超过一毫米，其工程难度可想而知。令人欣喜的是，FAST项目中所有的关键技术均为我国自主创新，并申请了相关技术专利。在未来，等FAST全面投入使用之后，将陆续在中性氢观测、暗弱脉冲星和射电源的寻找、宇宙起源与星际物质结构、地外文明搜索等领域实现科学突破。有网友戏称FAST为现实版的“红岸基地”。实际上，对比《三体》所描述的情形，现实中FAST的灵敏度至少是红岸雷达的十倍以上。而由FAST代表人类文明所发出的一声啼鸣，至少在信号的发射方向和波段上，有能力使地球成为银河系最明亮的星辰。

那么，若抛却科幻小说返回现实世界，人类同外星世界的第一次接触会不会由我国的FAST来完成呢？我们有理由去期待！

- 完 -

责任编辑：冯中

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