天眼看宇宙：從脈沖星到外星人
圖1：位于中國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼的FAST望遠(yuǎn)鏡鳥瞰圖，圖片來源：FAST張蜀新
引言：
說起中國“天眼”，大家大概都聽說過。前幾天我打車回國家天文臺，老司機(jī)一上來就很興奮地問我：“您是天文臺的？貴州那個天眼望遠(yuǎn)鏡是你們的嗎？”我頗有些自豪地說：“對對，就是我們單位牽頭建的。五百米口徑，現(xiàn)在是世界最大。”然后司機(jī)就樂了：“五百米！真了不起！這么大的望遠(yuǎn)鏡，是不是能看得最遠(yuǎn)？晚上能看到很多星星吧？你們都看到了些什么好玩的？” 老司機(jī)的“靈魂三問”很直白，但答案卻沒那么簡單。
撰文 | 鄭征（國家天文臺）
責(zé)編 | 韓越揚 呂浩然
在回答這三個問題之前，我們先來介紹一下天眼吧：
“天眼”望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家一般叫它FAST，是英文Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope的簡稱，中文是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。其中，500米是指FAST這口“鍋”鍋沿的直徑，球面是說“鍋底”的形狀是個球面而非拋物面，而射電則是它的工作波段，也就是說它主要用來接收無線電波。
FAST目前是世界上最大的單鏡面射電望遠(yuǎn)鏡，而在此之前的世界紀(jì)錄保持者是位于美屬波多黎各的阿雷西博（Arecibo）射電望遠(yuǎn)鏡，口徑305米。FAST跟阿雷西博一樣，都是建在喀斯特地形的大坑里面。FAST基礎(chǔ)硬件的建設(shè)用了五年，而整個項目從最初的想法到最后驗收，則歷時二十多年之久。
圖2：位于波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，口徑305米。圖片來源：naic.edu
1993年9月，國際無線電科學(xué)聯(lián)盟第二十四屆大會在日本東京召開，與會天文學(xué)家提出要在地球射電環(huán)境進(jìn)一步惡化之前，盡快建設(shè)新一代的大射電望遠(yuǎn)鏡（Large Telescope， 簡稱LT）?！疤煅邸敝改先蕱|先生并沒有參加此次會議，但是他了解到詳情之后，對這個項目產(chǎn)生了極大的興趣，希望這個大望遠(yuǎn)鏡能花落中國。
這也許就是建設(shè)FAST的最初動力。這個LT項目后來改名叫平方公里陣（Square Kilometer Array，簡稱SKA），也就是總接收面積可達(dá)1平方公里的望遠(yuǎn)鏡陣列。隨著南仁東等人的積極推動，設(shè)計建在貴州喀斯特地形中的一批200米到300米的射電望遠(yuǎn)鏡成為了SKA的候選計劃之一。
貴州的喀斯特地形不光形狀合適，地下排水容易，不會因暴雨積水，而且遠(yuǎn)離大城市的信號干擾，是建造這種大型射電望遠(yuǎn)鏡的絕佳臺址。其余三個候選計劃各有不同，其臺址分別位于澳大利亞、南非和南美。由于是多國合作的大型望遠(yuǎn)鏡項目，建造國之間的競爭非常激烈。2006年9月，SKA計劃推進(jìn)工作委員會排除了中國和南美的計劃。現(xiàn)在的SKA計劃選擇同時建在澳大利亞和南非，并采取成百上千面小型射電望遠(yuǎn)鏡陣列的形式。
雖然未能入選SKA，南仁東的大型射電望遠(yuǎn)鏡設(shè)計理念卻得到了很多頂級科學(xué)家的支持，并于2007年7月在中國發(fā)改委正式立項，成為中國自己主導(dǎo)設(shè)計和建設(shè)的大型望遠(yuǎn)鏡項目。2011年3月25日，F(xiàn)AST工程正式在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼動工。五年后，2016年9月25日，F(xiàn)AST落成啟用。在經(jīng)過三年半的調(diào)試期后，2020年1月11日FAST通過國家驗收，正式進(jìn)入運行階段。
圖3：FAST建設(shè)之前（左上）與建設(shè)之中（下）以及設(shè)計簡圖（右上）。圖片來源: Li & Pan (2016)
FAST最引人注目的，首先自然是它的“大”。也許從上面的照片上并不容易感知它的大小，實際上我第一次走近FAST的時候，也是有一些失望的，因為它看起來并不如想象中的大。不過若是走到它的圈梁上，走完一圈需要多半個小時（PS：直徑500米，你能算出它的周長嗎？咱們評論見?。?/span>，而從這口“大鍋”的鍋沿走到鍋底，則要一兩個小時的時間。這時才會從心底驚嘆于它的巨大。
實際上，F(xiàn)AST巨大的口徑并不是為了外表看起來更酷，而是為了能看到更弱更遠(yuǎn)的信號。望遠(yuǎn)鏡的主要原理是將遙遠(yuǎn)天體發(fā)射過來的信號收集起來匯聚到一個點上。由于天體過于遙遠(yuǎn)，它發(fā)射到地球上的信號相當(dāng)于是平行光，基本是均勻分布的，因此望遠(yuǎn)鏡口徑越大，它所能收集的信號也就越多，其收集信號的能力與望遠(yuǎn)鏡的面積（注意不是口徑）成正比。
FAST的有效口徑是300米，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡（非線天線）的有效口徑大約是200米，美國的綠岸望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope）是100米，因此FAST的集光能力大約是阿雷西博的2倍，綠岸望遠(yuǎn)鏡的9倍（再PS：想一想，為什么不是3倍？）。而且即便是未來的SKA一期中頻（350 - 4000 MHz）部分的接收面積也是比不上FAST的。
射電望遠(yuǎn)鏡的“大鍋”負(fù)責(zé)收集遙遠(yuǎn)天體發(fā)射過來的射電信號，然后把這些信號反射匯集到一點，由位于這個點上的接收機(jī)來轉(zhuǎn)化成電信號并傳送到附近機(jī)房里的終端儀器進(jìn)行進(jìn)一步分析。一般小型的望遠(yuǎn)鏡鏡面都是拋物面，因為拋物面有個很好的特性，就是可以把平行光匯聚到它的焦點上。然而阿雷西博和FAST因為過于巨大，不可能做成可轉(zhuǎn)動的拋物面，因此它們的反射面都采用了更容易建造的球面，而球面是沒有焦點的，也就是說它雖然能起到一定的匯集作用，卻無法將收集到的光子匯聚到一點。
圖4：球面和拋物面反射的區(qū)別。左圖為球面反射，可以看到平行光經(jīng)球面反射后并不能匯聚到一點；右圖為拋物面反射，可以將平行光匯聚到焦點上。圖片來源：amazingspace.org
為了解決這個問題，阿雷西博在望遠(yuǎn)鏡的上面加了一個格里高利反射系統(tǒng)（Gregorian reflector system），將經(jīng)過球面主鏡（也就是大鍋）反射過來的光再經(jīng)兩次反射來匯聚到一點。當(dāng)觀測天上不同位置的天體時，只需移動這個系統(tǒng)即可。這個方法比較簡單，在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中也有很多成熟的應(yīng)用。但是阿雷西博的這個反射系統(tǒng)很笨重（圖2中懸在上方的那一大坨），整個平臺大約有900噸重，它擋住了“鍋面”上相當(dāng)大的一部分，這樣的光路造成了很多額外的干擾。
而FAST則使用了一種思路上更加直接的辦法，那就是在觀測時改變“大鍋”的形狀，將它變成拋物面。不過這種辦法做起來卻很有難度：由于地球的自轉(zhuǎn)，天上的天體會不停地自西向東移動，因此如果要盯著同一個天體長時間觀測的話，這個拋物面就得不停的改變方向以正對著目標(biāo)天體，而實時精確地改變幾百米大的反射面又談何容易。
FAST的大鍋由四千多塊三角形的面板組成，這些面板拼起來共有兩千多個節(jié)點，每個節(jié)點上都裝了一個促動器（圖4中的黃色推桿）連接在地面上。這些促動器由電腦控制，在觀測的過程中不停的拉動面板，將正對目標(biāo)天體的那部分面板調(diào)整成合適的拋物面形狀。因此FAST在觀測過程中實際上只用了部分面板，而這部分面板的口徑是300米。
圖4：連接在面板節(jié)點上的促動器。上圖為示意圖（Nan et al. 2011)，下圖為照片（黃色桿子）
FAST所要觀測的射電信號波長最小可到厘米量級,因此面板移動的精度必須控制在1厘米以內(nèi)。為了保證拋物面的形狀能達(dá)到足夠的精度，F(xiàn)AST在反射面板上裝了很多反射鏡來幫助實時測量面板位置以便進(jìn)行實時調(diào)整。這些反射鏡會反射測量基墩上發(fā)出的測距激光束，我們便可通過測量激光的反射時間來精確測量它們的位置（圖5）。
圖5：在夜晚拍攝的面板上的反射鏡。當(dāng)相機(jī)閃光燈亮起的時候，所有的反射鏡都將光反射回相機(jī)，于是就形成了這些排列整齊的亮點
FAST由于有了實時變動的拋物面反射鏡，便不需要額外的改正系統(tǒng)來將信號匯聚到一點，因此只需將輕的多的接收機(jī)定在焦點上即可。FAST周邊豎立了六個巨型金屬塔，在這六個塔上分別伸出六根鋼索吊住中心的饋源倉（見圖6，就是放接收機(jī)的地方）。這樣的饋源支撐系統(tǒng)輕巧的多，也減少了很多光路上的干擾。
圖6：FAST饋源倉。下圖為吊在空中的狀態(tài)；上圖為降落在“鍋底”的狀態(tài)，露在外面圓盤狀的是19波束接收機(jī)
FAST在觀測的時候，會根據(jù)天體的位置不停地調(diào)整饋源倉的位置和反射面的形狀，以保證其信號會被完美地匯聚到饋源倉內(nèi)的接收機(jī)上（圖7）。
圖7：FAST觀測時反射面變形（紅色區(qū)域）及饋源倉（中間吊著的金屬倉）移動示意圖
上面說了這么一堆，基本意思就是FAST是我國自主建造的望遠(yuǎn)鏡，它口徑巨大，集光能力世界一流，而且有一些黑科技來確保其觀測精度。讓我們再回到最初老司機(jī)的“靈魂三問”：
Q1:FAST口徑最大，是不是能看得最遠(yuǎn)？
FAST是現(xiàn)今世界上最大且最靈敏的單鏡面射電望遠(yuǎn)鏡，但卻不一定是看得最遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡能看多遠(yuǎn)不光與它的大小有關(guān)系，還與要看的東西有多“亮”有關(guān)。FAST的設(shè)計工作頻率是70-3000MHz，與收音機(jī)及手機(jī)信號的頻率類似，而大多數(shù)最遙遠(yuǎn)的天體在這個頻段并不是很亮。
因此雖然FAST靈敏度很高，其實并不見得能比其它波段的望遠(yuǎn)鏡看得更遠(yuǎn)。迄今發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的一批天體大都是星系和類星體，它們幾乎都是光學(xué)和紅外望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。不過若是在其工作頻段內(nèi)，F(xiàn)AST肯定看得最遠(yuǎn)。
Q2：用FAST能看到很多很多星星嗎？
夜空中絕大多數(shù)肉眼能看到的星星在射電頻段發(fā)出的輻射也是非常微弱的，所以FAST在看恒星方面并不是特別擅長。而且FAST所在的區(qū)域雖然夜晚光污染不多，但時常會下雨，雨水并不會對射電波段的觀測造成很大影響，但是夜空中的繁星在陰雨天氣中就無法看到了。不過，若是能碰上晴朗的夜晚，也是有機(jī)會用肉眼享受美麗的星空的（圖8）。
圖8：FAST與夜空，照片左上角為正好劃過天空的一顆流星，圖片來源：FAST張蜀新、黃琳
Q3:FAST到底能看什么？
這個問題實際上也是天文學(xué)家們最關(guān)心的。FAST于今年5月份正式公開征集觀測計劃，將2020年8月至2021年7月期間大約40%的時間拿出來用于全國的科學(xué)家自由觀測申請。在此之前，F(xiàn)AST科學(xué)委員會已經(jīng)遴選并啟動了五項FAST優(yōu)先和重大項目，并將50%的觀測時間用于這些項目的觀測。這些項目基本上代表了FAST最擅長，而且也最容易看出成果的方向。
這五個大項目分別是：
（1）多科學(xué)目標(biāo)漂移掃描同時巡天（CRAFTS; Li et al. 2018）
（2）銀道面脈沖星巡天
（3）脈沖星測時
（4）M31中性氫成像和脈沖星搜尋
（5）快速射電暴
前四類項目基本可以總結(jié)為看脈沖星和中性氫譜線，而最后一個則是新興的一種暫現(xiàn)源。下面我們分別來解說一下這三個部分：
脈沖星是一種比較極端的天體，一般認(rèn)為它是由中子星的快速旋轉(zhuǎn)所造成的電磁脈沖信號。FAST在其調(diào)試期間便已經(jīng)開始了脈沖星觀測。2017年8月22日，F(xiàn)AST探測到了它的第一顆新脈沖星（圖9），而至今為止，已經(jīng)確認(rèn)探測到了100多顆新脈沖星，整個巡天預(yù)期將會發(fā)現(xiàn)上千顆新的脈沖星。
圖9：FAST發(fā)現(xiàn)的第一顆脈沖星藝術(shù)想象圖（上圖）和第一顆毫秒脈沖星（下圖，其脈沖周期約為5.19毫秒），圖片來源：王培
除了發(fā)現(xiàn)新的脈沖星以外，對脈沖星發(fā)射的脈沖進(jìn)行測時也非常重要。一般來講，脈沖星的脈沖周期是非常準(zhǔn)時的，通過對脈沖星持續(xù)的測時，研究這些脈沖周期的變化，不僅可以探知脈沖星內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，甚至可以探測宇宙空間內(nèi)的背景引力波。
中性氫就是氫原子，結(jié)構(gòu)非常簡單，就一個質(zhì)子加一個電子，但它是宇宙中含量最多的原子。像銀河系以及隔壁的仙女星系這樣的星系中，到處都彌漫著中性氫原子，它是星系內(nèi)氣體的重要組成部分，也是產(chǎn)生太陽以及夜空中其他閃亮恒星的原材料。
氫原子會發(fā)出一種很有特點的譜線，是由它的質(zhì)子和電子的自旋相互作用產(chǎn)生的，這種譜線的能量很低，波長是21厘米，因此也叫21厘米線，換算成頻率則是1420 MHz，正好在FAST觀測頻率范圍之內(nèi)。21厘米線的觀測可以告訴我們銀河系內(nèi)以及眾多河外星系里中性氫的含量，而這是在別的波段幾乎無法測量的。因此這個波段也受到人們的特別保護(hù)，一般的人造信號是不允許使用這個頻率的。
圖10：M31是距離銀河系最近的大型旋渦星系。上圖為M31的光學(xué)波段照片；下圖為用26米的射電望遠(yuǎn)鏡拍攝的M31中性氫21厘米線圖像（左下），以及用21厘米線測得的M31不同部分的速度（右下）。光學(xué)圖片來自Toren Hansen (wikipedia)，中性氫圖片來自Chemin, Carignan & Foster（2009）
之前阿雷西博也曾經(jīng)做過中性氫巡天，只不過觀測的天區(qū)比較小，其河外中性氫巡天大約掃過了整個天空的1/6，共探測到了三萬多個河外星系，距離基本都在8億光年以內(nèi)（Haynes et al. 2018）。這已經(jīng)是現(xiàn)今最深的大面積河外中性氫巡天了。而FAST的漂移掃描巡天計劃觀測大約整個天空的1/2，預(yù)期能看到幾十萬個河外星系，最遠(yuǎn)距離可達(dá)10-60億光年。
大范圍地同時搜尋中性氫和脈沖星信號，實際上是一個很有雄心的計劃。阿雷西博當(dāng)年的脈沖星和中性氫巡天是分開進(jìn)行的。這種新的同時搜尋的技術(shù)手段將大大加快巡天的速度。
圖11：CRAFTS計劃（crafts.bao.ac.cn；Li et al. 2018）
快速射電暴是一個新興的熱門領(lǐng)域。快速射電暴是一種非常強大的射電爆發(fā)，它在幾個毫秒到幾十毫秒內(nèi)能釋放出相當(dāng)于太陽在一整天內(nèi)釋放的能量。自從2007年鄧肯·洛里默（Duncan Lorimer）和他的學(xué)生大衛(wèi)·納科維奇（David Narkevic）發(fā)現(xiàn)了第一個快速射電暴事件之后（Lorimer et al. 2007），這個領(lǐng)域也迅速走紅。這些年來，快速射電暴事件一共發(fā)現(xiàn)了幾百例，但它們的起源仍是一個謎。2018年11月，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了第一個新的快速射電暴FRB181123（Zhu et al. 2020）。后續(xù)更多的FAST觀測也許會為我們揭示出它的謎底。
除了以上重要的科學(xué)問題以外，還有一個很讓人糾結(jié)的問題：FAST能不能探測到外星人？我們這里暫不討論有沒有外星人的問題，只來考慮另一個相關(guān)問題：如果有外星人，而且他們已經(jīng)建立了相當(dāng)高級的外星文明，那么，用什么手段最容易探測得到他們？
要探測這些文明的信號，就要找到一個在太空傳播過程中最不容易衰減的波段，而射電波段正好符合這個要求。另外，射電波段的信號也更容易攜帶文明的“技術(shù)特征”，比如我們平時用于遠(yuǎn)距離通信的手機(jī)、衛(wèi)星天線等等都用的是射電波段。當(dāng)年喬絲琳·貝爾（Jocelyn Bell）最初發(fā)現(xiàn)脈沖星信號的時候，就懷疑過那是外星“小綠人”發(fā)射過來的信號，因為這些脈沖的周期太整齊了，非常像人為的信號。
在小說《三體》中，葉文潔與三體人的接觸也是通過“紅岸”基地發(fā)射的射電信號，從而將地球暴露在了三體文明的威脅之下。FAST作為現(xiàn)今最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，也許確實是最有希望探測到外星文明信號的設(shè)備之一。不過大家可以放心，F(xiàn)AST只有接收天線，并沒有發(fā)射雷達(dá)，即便探測到外星文明也暫時不可能發(fā)射信號去聯(lián)系他們。
作者簡介：鄭征，2004年山東大學(xué)本科畢業(yè)，2014年約翰霍普金斯大學(xué)博士。現(xiàn)為中國科學(xué)院國家天文臺副研究員。主要研究領(lǐng)域為星系形成與演化，中性氫吸收線等。
參考文獻(xiàn)：
[1] Chemin, Carignan & Foster, 2009, Proceedings of Panoramic Radio Astronomy: Wide-field 1-2 GHz research on galaxy evolution. June 2-5 2009. Groningen, the Netherlands. Edited by G. Heald and P. Serra.
[2] Haynes, et al., 2018, The Astrophysical Journal Letters, Volume 861, Issue 1, article id. 49, 19pp.
[3] Hewish, Bell, et al., 1968, Nature, Volume 217, Issue 5130, pp.709-713
[4] Li & Pan, 2016, Radio Science, Vol. 51, p. 1060-1064
[5] Li, et al., 2018, IEEE Microwave Magazine, Vol. 19, issue 3, p. 112-119
[6] Lorimer, et al., 2007, Science, Volume 318, Issue 5851, pp. 777
[7]Nan, et al., 2011, International Journal of Modern Physics D, Vol. 20, No. 6, p.989-1024
[8] Zhu, et al., 2020, The Astrophysical Journal Letters, Volume 895, Issue 1, id.L6
