張唯誠(chéng)
◆ 張唯誠(chéng)
近日，位于貴州省平塘縣大窩凼的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡(jiǎn)稱FAST)的最后一塊反射面單元成功吊裝，標(biāo)志著這只“觀天巨眼”終于睜開(kāi)了，即將把目光投向宇宙的深處，追蹤遙遠(yuǎn)的信號(hào)，搜尋奇異的天體，甚至開(kāi)展對(duì)地外文明的探索。中國(guó)“天眼”的開(kāi)啟，還將為射電天文學(xué)的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。
時(shí)代呼喚“射電巨鏡”
宇宙天體除了發(fā)出可見(jiàn)光之外，還發(fā)出多種人眼看不見(jiàn)的輻射，如紅外線、紫外線、χ射線、γ射線、無(wú)線電波等。早期的天文學(xué)家只能在可見(jiàn)光范圍內(nèi)觀測(cè)宇宙，但近一二百年來(lái)，由于人類陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多種可見(jiàn)光之外的輻射，并不斷研制出能夠觀測(cè)到這些輻射的特殊的望遠(yuǎn)鏡，人類已經(jīng)掌握了在多種“不可見(jiàn)”波段上觀測(cè)宇宙的技術(shù)，這其中有關(guān)射電波的應(yīng)用是最值得大書(shū)特書(shū)的。
1931年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的電器工程師央斯基用天線發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能來(lái)自銀河系中心的干擾源，這表明宇宙中的天體也是有無(wú)線電輻射的。這件事啟發(fā)了另—位名叫格羅特·雷伯的無(wú)線電工程師，于是他在自家后院安裝了一個(gè)天線，它的主體是一個(gè)直徑約9米的拋物面，這就是人類第一架為天文觀測(cè)而制造的射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡的成像過(guò)程比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡復(fù)雜，它要不停地記錄接收到的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理獲得所觀測(cè)天區(qū)的圖像。
射電望遠(yuǎn)鏡的誕生為人類探索宇宙奧秘打開(kāi)了一個(gè)新的窗口，人們稱之為“射電窗口”。很快，人們就用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了大量發(fā)射無(wú)線電波的天體，這些天體被統(tǒng)稱為“射電源”。為了研究“射電源”，一門(mén)嶄新的學(xué)科也應(yīng)運(yùn)而生，這就是射電天文學(xué)。
人們?cè)缇鸵庾R(shí)到，遙遠(yuǎn)的宇宙中存在著很多奇特的現(xiàn)象和神秘的天體，僅僅用普通的望遠(yuǎn)鏡是根本發(fā)現(xiàn)不了它們的。例如，人們預(yù)言了一種致密的中子星的存在，這種星由擠壓在—起的中子組成，中子星的密度高得驚人，直徑只有幾十千米，質(zhì)量卻比太陽(yáng)還大。然而多年過(guò)去了，人們一直沒(méi)有證明這個(gè)猜測(cè)。直到20世紀(jì)60年代，英國(guó)人喬林斯·貝爾和她的導(dǎo)師安東尼·休伊什用一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡接收到了4個(gè)奇怪的脈沖信號(hào)。經(jīng)過(guò)多方求證，他們終于意識(shí)到，那些脈沖信號(hào)來(lái)自于幾十年前就被預(yù)言到的中子星的能量輻射。由于中子星是恒星爆炸后產(chǎn)生的反作用力壓縮而成的，它們?cè)隗w積縮小時(shí)會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，那些能量輻射不時(shí)會(huì)在旋轉(zhuǎn)中掃過(guò)地球，于是地球上的射電望遠(yuǎn)鏡就能接收到脈沖信號(hào)了，所以中子星也被稱為脈沖星。
脈沖星的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)60年代射電天文學(xué)迅速發(fā)展起來(lái)后取得的重大成就，另外幾項(xiàng)重要成就包括發(fā)現(xiàn)了類星體、宇宙大爆炸的微波背景輻射和彌漫于星際空間的星際分子。
射電天文學(xué)的進(jìn)步把人們的視線引向了宇宙遙遠(yuǎn)的邊緣，那里隱藏著更多有關(guān)宇宙起源和演化的關(guān)鍵線索，黑洞、類星體、暗物質(zhì)和暗能量等成了破解宇宙之謎的重大課題。于是，全世界的天文學(xué)家都非?？释麚碛型Ω訌?qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡。人們意識(shí)到，誰(shuí)擁有了這種望遠(yuǎn)鏡，誰(shuí)就更有可能站立在現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)的潮頭，成為破解宇宙之謎的領(lǐng)軍力量，這就是我國(guó)科學(xué)家為什么要建造一架世界頂級(jí)射電巨鏡FAST的原因之所在。
應(yīng)運(yùn)而生的FAST
FAST借助一個(gè)天然的圓形溶巖坑建造，主體是一面巨大的反射鏡，由幾千塊反射面板拼裝而成，其邊框?yàn)榄h(huán)形鋼梁，眾多鋼索依托鋼梁懸垂交錯(cuò)，構(gòu)成一個(gè)球形網(wǎng)，用以支撐FAST巨大的反射鏡。這個(gè)反射鏡的總面積約25萬(wàn)平方米，相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)的總合。它面向蒼穹，掃描太空，堪稱探索宇宙奧秘的中國(guó)“天眼”。
建造FAST是對(duì)我國(guó)望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的一次嚴(yán)格檢驗(yàn)，因?yàn)镕AST要把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào)聚集在藥片大小的空間里。要實(shí)現(xiàn)這樣毫米級(jí)的精度，難度是可想而知的。首先，由于熱脹冷縮，鋼結(jié)構(gòu)很容易變形；其次，F(xiàn)AST的天線鍋是一個(gè)標(biāo)淮的球形，在工作的時(shí)候，它要通過(guò)變換形狀以在適當(dāng)?shù)牡胤叫纬?00米直徑的拋物面，F(xiàn)AST用這種方法轉(zhuǎn)換天線的方向，所以，它必須非常易于操作?？茖W(xué)家們通過(guò)控制近萬(wàn)根鋼索以實(shí)現(xiàn)鏡面的連續(xù)變形，這無(wú)疑需要高超的工程技術(shù)予以支持。除此之外，F(xiàn)AST最令人驚嘆的奇跡自然就是它的靈敏度了，它能探測(cè)百億光年之外的射電信號(hào)，能精確探測(cè)宇宙中的物質(zhì)成分，它的每塊反射面上都可進(jìn)行對(duì)焦，它的靈敏度相當(dāng)于美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的2.25倍，巡天速度是它的10倍。
隨著FAST的正式竣工，它將成為全球最受期待的“觀天巨眼”。那么，這個(gè)號(hào)稱“天眼”的射電望遠(yuǎn)鏡會(huì)給我們帶來(lái)怎樣的發(fā)現(xiàn)呢？要回答這個(gè)問(wèn)題，還是讓我們回頭看一看與FAST最為相似的單天線射電望遠(yuǎn)鏡吧。在FAST誕生以前，它當(dāng)之無(wú)愧地處于望遠(yuǎn)鏡家族的“霸主”位置，它就是位于波多黎各島上的美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡。
射電巨鏡已有的輝煌
阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡口徑350米，建成于1963年，它原來(lái)的天線是金屬網(wǎng)，20世紀(jì)70年代初改建成金屬板拼接而成的球面。此后，在80年代和90年代，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡也進(jìn)行過(guò)升級(jí)，性能得到了提高。
從建成之日起，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡就是天文學(xué)家們夢(mèng)想的探索利器，幾千名研究者使用過(guò)它，用它研究類星體、脈沖星以及處在宇宙邊緣的其他射電源。1990年，來(lái)自波蘭托倫天文學(xué)中心的亞歷山大·沃爾茲剛利用因等待維修而閑置下來(lái)的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡從事了一次相對(duì)簡(jiǎn)單的巡天觀測(cè)，即讓望遠(yuǎn)鏡跟隨地球的自轉(zhuǎn)“漫無(wú)目的”地搜索天空，看看能不能發(fā)現(xiàn)些什么。不到10天，他就發(fā)現(xiàn)了脈沖星PSR B1257+12。這顆星很特別，脈沖信號(hào)時(shí)而早一點(diǎn)，時(shí)而晚一點(diǎn)，表明它的旁邊可能有天體影響著它。經(jīng)過(guò)大量的分析，沃爾茲剛認(rèn)為，這顆脈沖星的周圍有3顆行星，其中有一顆質(zhì)量只相當(dāng)于地球質(zhì)量的十五分之一。即使在現(xiàn)在，這顆行星也是人們知道的繞著除太陽(yáng)之外的另一顆恒星運(yùn)行的最小的行星。
