文/ 李會(huì)超

FAST是“500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡”的英文簡(jiǎn)稱。這個(gè)架設(shè)在中國(guó)貴州喀斯特洼坑中的“大鍋”，是目前世界上單口徑最大也是最為靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，為我們探索宇宙之謎開啟了另一扇窗戶。除了進(jìn)行天文學(xué)和天體物理學(xué)方面的諸多研究外，F(xiàn)AST還將監(jiān)聽太空中特定波段的信號(hào)，尋找地外文明，也就是我們常說的“外星人”的蛛絲馬跡。

▲ 被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）全景（新華社記者歐東渠 攝）

射電天文學(xué)的緣起

當(dāng)夜幕降臨，天空中出現(xiàn)閃爍的星斗，我們?nèi)庋勰苡^察到的是恒星、行星和其他天體發(fā)射的可見光信號(hào)。最初的天文學(xué)研究，也只就是使用能夠接收可見光波段的望遠(yuǎn)鏡。然而，可見光實(shí)際上只是電磁波譜中的一段，而天體活動(dòng)除了產(chǎn)生可見光信號(hào)外，也在波長(zhǎng)更短的紫外、X等波段和波長(zhǎng)更長(zhǎng)的射電波段產(chǎn)生信號(hào)。

射電天文學(xué)的誕生源于一次偶然。1932年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師卡爾·央斯基正在進(jìn)行短波通信告饒?jiān)吹难芯?。在使用一個(gè)大型定向天線接收信號(hào)的過程中，央斯基發(fā)現(xiàn)一個(gè)來源未知的奇特?zé)o線電信號(hào)。經(jīng)過一番分析后，央斯基最終斷定信號(hào)并非來自地球上的發(fā)射裝置，而是來自銀河系中遙遠(yuǎn)的天體。自此，天文學(xué)家們才認(rèn)識(shí)到天體射電信號(hào)的存在，并在這個(gè)波段上開展了觀測(cè)。

▲ FAST反射面吊裝工程

和其他的天文觀測(cè)設(shè)備一樣，射電望遠(yuǎn)鏡同樣追求更高的觀測(cè)分辨率和靈敏度。更高的觀測(cè)分辨率，意味著我們能辨別出天體的更多細(xì)節(jié)；而更高的靈敏度，則可以讓我們捕捉到更加暗弱的信號(hào)。其中，望遠(yuǎn)鏡能夠分辨的最小空間尺度和波長(zhǎng)成正比，和望遠(yuǎn)鏡的接收面積成反比。由于射電波段的波長(zhǎng)比可見波高不少，因此射電望遠(yuǎn)鏡的接收面積必須比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大很多，才能實(shí)現(xiàn)相似的分辨率。因此目前觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體的主流射電望遠(yuǎn)鏡，其直徑都在幾十米以上，有的可達(dá)百米甚至數(shù)百米，遠(yuǎn)高于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。同時(shí)，接收面積越大，望遠(yuǎn)鏡的靈敏度也就更大。因此盡量提高望遠(yuǎn)鏡的面積是提高射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力的途徑之一。

大部分射電望遠(yuǎn)鏡的外形和我們接收衛(wèi)星信號(hào)的“大鍋”相似，望遠(yuǎn)鏡的反射面與支撐控制反射面運(yùn)動(dòng)的裝置相連接，指向是可以變化的。受材料性能限制，這種可動(dòng)式的射電望遠(yuǎn)鏡最大口徑在100米左右，而如果要進(jìn)一步擴(kuò)大望遠(yuǎn)鏡的面積，人們想出了借助天然地形，在自然形成的洼坑中布置望遠(yuǎn)鏡的辦法。1962年建成的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，就是利用固定的地形建設(shè)的固定球面射電望遠(yuǎn)鏡。

▲ FAST底部結(jié)構(gòu)

了不起的“大鍋”

射電天文學(xué)所使用的波段，也是人們進(jìn)行無(wú)線電通信所使用的波段。隨著人類對(duì)無(wú)線電頻段利用的增加，來自遙遠(yuǎn)天體的自然信號(hào)有可能逐漸被人造信號(hào)淹沒。為了趕在這一天到來前發(fā)現(xiàn)更多宇宙深處的奧秘，10個(gè)國(guó)家的天文學(xué)家在1993年的國(guó)際無(wú)線電聯(lián)大會(huì)上，提出了建造巨型射電天文望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)想。1994年，F(xiàn)AST的概念被正式提出。2007年，F(xiàn)AST項(xiàng)目正式獲得國(guó)家立項(xiàng)。2016年7月，F(xiàn)AST主體工程完工，并投入試運(yùn)行，邊調(diào)試邊進(jìn)行一些科學(xué)觀測(cè)。

FAST望遠(yuǎn)鏡的主體結(jié)構(gòu)——反射面占地約25萬(wàn)平方米，面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)大小，直徑500米。這個(gè)反射面并非一個(gè)一體的結(jié)構(gòu)，而是由4450塊三角面板構(gòu)成，總重量超過2000噸。來自宇宙中的無(wú)線電波經(jīng)過反射面反射后，匯聚到望遠(yuǎn)鏡頂部吊裝的饋源艙中，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收。

FAST這口“大鍋”安放在貴州省平塘縣一個(gè)名叫大窩凼的洼地中。這個(gè)洼地的大小合適，形狀又剛好適合安裝球面望遠(yuǎn)鏡，排水條件也比較好，是科研人員在前期選址時(shí)，從400個(gè)備選的喀斯特洼地中精挑細(xì)選出來的。同時(shí)，建在深山老林中，遠(yuǎn)離各種人工無(wú)線電發(fā)射源，也給FAST提供了良好的無(wú)線電環(huán)境。

FAST本身的球面形狀不能將射電信號(hào)聚焦到一個(gè)點(diǎn)。同時(shí)，由于FAST本身的結(jié)構(gòu)是固定的，因此如果不采用特殊的手段，將只能觀測(cè)天頂附近的一小片區(qū)域。而FAST的創(chuàng)新之處在于，組成FAST反射面的4000多個(gè)三角板都是可控的。通過對(duì)每一塊三角板指向的微小調(diào)整，F(xiàn)AST可以在發(fā)射面上制造出一個(gè)有效口徑在300米的拋物面，還可以動(dòng)態(tài)調(diào)整拋物面的朝向。這樣，雖然FAST本身是固定的，但卻能讓這個(gè)動(dòng)態(tài)的拋物面指向不同的方向，完成一定區(qū)域天空的巡視。當(dāng)使用300米拋物面時(shí)，可以在天頂附近26.4度的范圍內(nèi)進(jìn)行觀測(cè)。而如果犧牲一部分觀測(cè)面積，將有效地將拋物面直徑降低到200米，則可實(shí)現(xiàn)天頂附近60度的觀測(cè)。

在FAST測(cè)試的早期，饋源艙內(nèi)接受信號(hào)的是單波束接收機(jī)，望遠(yuǎn)鏡每次只能獲得天空中一個(gè)像素點(diǎn)的信息。而為FAST量身定制的19波束接收機(jī)，將在未來投入使用。這使得FAST在觀測(cè)過程中，每次可以獲得19個(gè)像素點(diǎn)的信息。如果要獲取一片天區(qū)相對(duì)連續(xù)的圖像，既可以通過多次“曝光”的方式完成，又可以通過掃描成像的方式完成。

FAST望遠(yuǎn)鏡立項(xiàng)時(shí)，主要提出了中性氫觀測(cè)、VLBI組網(wǎng)觀測(cè)、脈沖星觀測(cè)、分子譜線觀測(cè)和地外文明搜尋等方面的科學(xué)目標(biāo)。在調(diào)試階段，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了多顆脈沖星，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)天文學(xué)家使用自己的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)脈沖星的領(lǐng)域的突破。

脈沖星是一種特殊的中子星，因?yàn)槠漭椛洳ㄊ鴷?huì)周期性地快速掃過地球，因此從地球上觀察，脈沖星發(fā)射的是一個(gè)個(gè)周期性的脈沖信號(hào)。對(duì)脈沖星進(jìn)行觀測(cè)，不僅能夠研究脈沖星自身的極端物理狀態(tài)，還能對(duì)星際介質(zhì)、銀河系磁場(chǎng)、引力波等目標(biāo)進(jìn)行研究。目前已知的2000多顆脈沖星中，大部分脈沖星是澳大利亞帕克斯望遠(yuǎn)鏡使用多波束接收機(jī)通過巡天觀測(cè)找到的。雖然FAST目前發(fā)現(xiàn)的數(shù)量還不多，但在調(diào)試階段各項(xiàng)指標(biāo)均為達(dá)到理想的情況下，如此的科學(xué)產(chǎn)出已經(jīng)足夠讓人興奮。據(jù)估計(jì)，未來FAST有望搜尋到4000顆脈沖星。

▲ FAST全景

▲ FAST形成300米有效觀測(cè)拋物面的原理圖

尋找地外文明

在立項(xiàng)之初，F(xiàn)AST就將尋找地外文明確定為自身的幾個(gè)科學(xué)目標(biāo)之一。既然人類會(huì)向太空中發(fā)射無(wú)線電波，那么我們有理由相信如果其他星球上存在文明的話，他們也會(huì)向太空中發(fā)射無(wú)線電信號(hào)。

天文學(xué)家卡爾達(dá)舍夫（Kardashev）設(shè)想，如果宇宙中存在其他的文明，那么可以根據(jù)這些文明對(duì)能量的使用能力分為三類。第一類文明的能力與人類相似，能夠使用行星上接收到的來自恒星的全部能量。第二類能力則上了一個(gè)臺(tái)階，能夠使用行星環(huán)繞的那個(gè)恒星所釋放的全部能量。而第三類文明的能力則到了驚人的地步：他們具備可以利用像銀河系這樣的整個(gè)星系的能力。和現(xiàn)實(shí)生活一樣，能力較高的后兩類文明，存在的幾率較小，應(yīng)該比較松散地分布在宇宙中。第一類文明存在的幾率較大，有可能就在我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的具備宜居條件的行星上。

▲ 仙女座M31大星云

對(duì)于第一類文明的尋找，F(xiàn)AST的目標(biāo)比較明確：它將對(duì)美國(guó)宇航局的TESS衛(wèi)星所發(fā)現(xiàn)的系外行星進(jìn)行有針對(duì)性的搜星。TESS于2018年開始升空工作，主要利用系外行星的凌日現(xiàn)象來搜尋我們尚未發(fā)現(xiàn)的系外行星。據(jù)估計(jì)，TESS在工作期內(nèi)有望發(fā)現(xiàn)多達(dá)1250顆行星，有些甚至能認(rèn)證處于恒星附近的宜居帶中。由于這些行星之前從未被發(fā)現(xiàn)過，因此也從未被之前搜尋系外文明的研究活動(dòng)監(jiān)聽過，具有潛在的研究?jī)r(jià)值。根據(jù)已經(jīng)發(fā)表的論文，F(xiàn)AST將會(huì)對(duì)頻率在30MHz～3GHz間的5個(gè)頻段進(jìn)行監(jiān)聽。

仙女座（M31）是距離我們最近的大型星系，規(guī)模與銀河系類似，恒星總量達(dá)1萬(wàn)億。FAST將會(huì)利用其靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，在1250MHz到1420MHz的頻段間進(jìn)行監(jiān)聽，每10分鐘就能取樣一次。這個(gè)頻段，也是著名的“水洞”所在的頻段?？茖W(xué)家們相信，借助FAST強(qiáng)大的觀測(cè)能力，如果在那1萬(wàn)億顆恒星中真的存在第二類和第三類文明發(fā)出的信號(hào)，那么FAST一定能捕捉到它?！?/p>

▲ FAST夜景