中國科學院國家天文臺

錢磊(2018年11月20日在中山大學的講稿)

FAST，也叫做天眼，全稱是500米口徑球面射電望遠鏡。所謂射電，就是來自宇宙的無線電。如果不好理解什么是射電望遠鏡，就把射電望遠鏡理解為大號的電視天線好了。只不過射電望遠鏡有可能接收到外星文明的電視信號。它是坐落于我國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的一臺射電望遠鏡，全稱是500米口徑球面射電望遠鏡。這一句話里的信息量是不是有點大？容我慢慢道來。

圖1. FAST建設在一個卡斯特洼地中

先看到FAST所在的地方。平塘縣，大家是不是之前都沒怎么聽過這個地方？這是貴州省一個相對比較偏遠的地方。為什么要把FAST建在一個偏遠的地方呢？有幾個原因，容易想到的是，偏遠的地方人類活動少，對望遠鏡觀測的干擾少。在望遠鏡選址的時候，F(xiàn)AST周圍的電磁干擾確實少。不過考慮到FAST周邊城鎮(zhèn)的高速發(fā)展，現(xiàn)在FAST的電磁環(huán)境保護也面臨比較大的壓力。把FAST建在這個地方的另一個原因就是這里的喀斯特地形。如果大家到過貴州省的這一片地區(qū)，你們會發(fā)現(xiàn)這里有很多洼地，而且很多都接近一個球冠，如果把一個球面望遠鏡放到這些洼地里，形狀差不多剛剛好，不用挖太多的土石方，這對應一個工程來說非常重要。另一方面，如果大家到過這個地區(qū)，你們會發(fā)現(xiàn)，雖然這里雨水很多，但是地面上幾乎沒有河和湖，水都在地下河里，基本上下多大的雨，洼地里也不會積水，這對于望遠鏡的安全運行非常重要。為了讓大家有個直觀印象，我們來看看建在北京已經(jīng)棄用的FAST縮尺模型，幾年沒有維護，下面的坑里已經(jīng)有幾米深的積水了。而在卡斯特地區(qū)，這種事情幾乎不會發(fā)生。

圖2. 密云模型下面已經(jīng)有好幾米的積水了

把一個五百米口徑的球面反射面放到一個卡斯特洼地里是不是就可以了？不是，如果要實現(xiàn)聚焦，我們必須想一些辦法。我們知道拋物面可以將平行光聚焦。來看一段拋物面聚焦的視頻。那么拋物面是不是必須的，是也不是。美國的Arecibo望遠鏡也座落在喀斯特洼地里，也是球面，實現(xiàn)了聚焦，但是通過復雜的光路實現(xiàn)的。這帶來的問題是支撐饋源艙的平臺很大、很重。放大到FAST這樣的尺度，這個平臺的重量會達到一萬噸，這是不太現(xiàn)實的。所以FAST的聚焦需要拋物面。為了實現(xiàn)這一點，F(xiàn)AST的反射面必須主動變形。這是FAST的光路圖，在觀測的時候，使用下拉索調(diào)整口徑300米區(qū)域的一部分反射面單元，可以形成一個拋物面，觀測不同方向的源，使相應區(qū)域的反射面變形為拋物面。同時，饋源艙攜帶饋源在焦面上運動，保證相位中心總是處于拋物面焦點。

圖3. FAST光路圖

信號聚焦之后，由接收機接收，轉換為數(shù)字信號進行處理。由于望遠鏡和觀測室距離超過一千米，為保證衰減較小，信號是通過光纖傳輸?shù)摹AST目前有七套接收機，覆蓋了70 MHz-3 GHz頻段。其中超寬帶接收機和多波束接收機是兩臺進行了試觀測，取得了觀測成果的接收機。左邊是超寬帶接收機，右邊是多波束接收機。

一臺望遠鏡能觀測什么，取決于和觀測有關的一些因素。其中包括但不限于靈敏度、空間分辨率、時間分辨率、頻率分辨率、帶寬、積分時間、地理位置、天頂角、人力及思想（Human bandwidth）。拋開積分時間、帶寬等因素，評價一臺望遠鏡的本征靈敏度可以用有效接收面積除以系統(tǒng)溫度。所以要想本征靈敏度高，有效接收面積要大，系統(tǒng)溫度要低。一度，我們對FAST的這個指標沒有信心，覺得大概達到1600平方米每開爾文都很困難。但現(xiàn)在看來2000平方米每開爾文是可以達到的。有效接收面積當然不能增大，主要是系統(tǒng)溫度降低了，近年來，世界上的接收機技術進步了。使用19波束接收機，F(xiàn)AST的系統(tǒng)溫度大約為20 K，這就到達了2000平方米每開爾文。FAST在1.4 GHz的波束寬度是2.9角分，滿月的寬度是30角分，人眼的分辨率大約是0.3角分。所以從看清楚的角度來說，F(xiàn)AST不如人眼，不過已經(jīng)很不錯了，很多射電望遠鏡看月亮都只是一個點。關于時間分辨率，由于FAST是數(shù)字采樣，可以很高，首先的限制是時間寬度和頻率寬度之間的不確定關系，這是傅里葉變換的性質(zhì)造成的。目前為了探測毫秒脈沖星，時間分辨率設為幾十微秒。關于頻率分辨率，參考時間分辨率，也要滿足不確定關系。為了搜索外星文明信號，最高頻率分辨率為5 Hz。對應0.001 km/s的視向速度分辨率。另外，F(xiàn)AST位于北緯25.6度，可觀測天頂角40度，不過，由于地球轉動，F(xiàn)AST可觀測天區(qū)可不是一個椎體！還有一個因素，經(jīng)常被忽視，就是人和思想。望遠鏡能觀測什么，自身因素固然重要，但如果人不能把望遠鏡用好，那望遠鏡能做的事也很有限。

為了回答FAST能看點啥？我們先來看看歷史上，射電望遠鏡都看了點啥。這是公認射電望遠鏡做出的比較重要的成果。先看最后一列，是否預期之中？幾乎全是沒有預期到。好在還有一兩個預期到的。要不然大家就可以不用聽下去了。來看看口徑和FAST最接近的Arecibo望遠鏡做出了哪些發(fā)現(xiàn)。有一些是通過雷達的辦法實現(xiàn)的，相當于發(fā)出了一束光，把要看的目標照亮了然后再看。其他發(fā)現(xiàn)包括超脈澤（也就是微波激光）、中性氫成圖、脈沖雙星、毫秒脈沖星。總結起來，脈沖星、中性氫、分子譜線。

這也正是FAST三個重要的科學目標。雖然根據(jù)歷史經(jīng)驗，重要的發(fā)現(xiàn)通常是未知的未知，但是我們能做的還是從已知的未知開始。我們知道FAST能觀測的科學目標有銀河系內(nèi)的中性氫、銀河系外其他星系中的中性氫、脈沖星、分子譜線、快速射電暴、外星文明、以及未知的未知。順便插一句，前面提到射電望遠鏡就是天線，所以廣播電視天線能收到的，射電望遠鏡也有可能能收到。下面來具體看一下這些科學目標。

氫是原子量最小的元素，也是宇宙中最豐富的元素，所以，氫可以用來觀測星系的結構，當然包括銀河系的結構。氫有各種存在形式，我們關心的是基態(tài)的中性原子氫，稱為中性氫。中性氫會發(fā)出波長為21厘米的譜線，頻率1420 MHz，在FAST頻段之內(nèi)，所以是FAST的一個重要觀測目標。宇宙中中性氫雖然多，但很多情況下是稀薄的，意思是，如果我們把每個氫原子想象為發(fā)光小球，這些小球是互不遮擋的，那么根據(jù)接收到的光的強度，就可以推測有多少個發(fā)光小球，也就可以測量中性氫的質(zhì)量了。

現(xiàn)在已經(jīng)有對銀河系及附近中性氫分布的成圖。從圖中可以看到銀河系、大小麥哲倫云（兩個銀河系附近的矮星系）。FAST可以對部分天區(qū)進行更細致的觀測，幫助我們看得更清楚，看到更多結構。河外星系中的中性氫可以示蹤一些可見光看不見的結構，比如圖中的潮汐作用造成的尾巴。中性氫還可以看到可見光看不到的星系間的相互作用。

銀河系和河外星系里還有一些別的譜線，比如河外星系中的脈澤，也就是微波波段的激光。激光的特點是什么？在這里，最有用的特點就是亮和單色性好。亮，使得我們可以測量距離很遠的源。單色性好，使得我們可以精確測量星系的紅移。

脈沖星是一種發(fā)出周期性脈沖的天體。這種周期性是由于轉動造成的，類似于燈塔，就是這個樣子，是不是很像？大部分脈沖星發(fā)出射電脈沖，可以用FAST觀測。脈沖星是一部分中子星。這是脈沖星磁場和輻射束的示意圖。很多中子星不發(fā)出脈沖，或者輻射束不掃過地球，不產(chǎn)生脈沖。脈沖星個頭不大，半徑10千米，大概是一座城市的大小，不過脈沖星質(zhì)量不小，質(zhì)量和太陽相當。中子星是大質(zhì)量恒星塌縮形成的，就是把恒星物質(zhì)壓縮到一個小體積中。微觀上看，就是把原子核和原子核擠到一起，把原子里的空間都填滿。我們來看一下恒星，比如太陽。這里提個問題，太陽多少天轉一圈？有沒有可能讓太陽一秒轉一圈？事實上，太陽每25天轉一圈，其他恒星也不可能一秒轉一圈，因為離心力不能超過引力，否則恒星就散架了。但是，把恒星物質(zhì)壓縮到中子星中，中子星就可以轉得很快了。因為角動量守恒，半徑變小了，角速度就變大了。有興趣可以找把轉椅，拿兩個啞鈴試試。

把脈沖星的信號放到相位-頻率圖上是這樣的，其中可以把相位簡單理解為時間。能看到什么？高頻信號先到，低頻信號后到，高頻信號傳播速度快。大家有沒有覺得奇怪？如果在空氣中，是紅光速度快還是藍光速度快？但射電波在星際介質(zhì)中傳播的時候就是高頻速度快。時間延遲和頻率的關系是已知的，所以可以改正時間延遲，把不同頻率的脈沖對齊。然后把不同頻率的脈沖加起來，就可以得到我們通常理解的脈沖了。簡單說，這就是搜尋脈沖星的過程。不過通常脈沖星很弱，在前兩幅圖中是看不到什么明顯信號的，這也是脈沖星搜索的難度所在。這是FAST發(fā)現(xiàn)的一顆毫秒脈沖星?，F(xiàn)在FAST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了五十多顆脈沖星了。或許未來我們能確定快速射電暴的來源，也或許能發(fā)現(xiàn)脈沖星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)，這些都算是已知的未知。

上面提到的中性氫、脈澤是頻域觀測，脈沖星多半是頻域觀測。而那些未知的未知可能用時域-頻域聯(lián)合分析才能發(fā)現(xiàn)。這是SETI（搜尋外星文明）的一個示意圖，是SETI@HOME項目的電腦屏保。這很好地展示了我們面對的數(shù)據(jù)——隨時間變化的頻譜。不做特殊處理，我們看到的就是噪聲，但是可以肯定，這里面是有信號的，怎么把信號找出來，這是需要努力的。信號就是沙子里面的金子。自然的信號通常是簡單優(yōu)雅的，各種調(diào)制信號通常是人為造成的。不知道外星文明是不是也像我們一樣對信號進行各種調(diào)制，大概率是的。所以外星文明搜尋將面對人工調(diào)制+星際介質(zhì)調(diào)制的信號，這是未來要解決的問題。歡迎大家貢獻自己的智慧！