射電望遠鏡的大家族

自從伽利略發明光學天文望遠鏡以來，人類探索星空的手段就一直以光學技術為主，望遠鏡甚至成為我們探索宇宙秘密的唯一工具。但是宇宙並沒有那麼簡單，來自天體的信號不僅有光波，還有大量紫外輻射和紅外輻射。

1931年，一個非常意外的發現，成就了人類另一種探索宇宙的方法，另一個觀察宇宙的窗口。那一年，在美國的貝爾實驗室，年輕的無線電工程師央斯基在研究長途電訊干擾時，用自己設計安裝的一種方向性很強的天線，在14.6米的波長上接收到了一個每隔23時56分04秒就會出現最大值的無線電干擾信號。這是一個非常穩定的噪音信號，它跟地球的自轉周期一致。很明顯，它來自於太空。

於是，射電天文學誕生了。最初的射電天文望遠鏡使用拋物面接收來自宇宙的射電信號。這種拋物面就像是一口大鍋，下面帶有自動跟蹤裝置，可以跟蹤天體的運行。80多年過去了，射電天文學得到了飛速的發展，射電望遠鏡的外形也發生了巨大的改變。

如今，這個家族越來越龐大，各式各樣的射電望遠鏡也一一出現。不僅如此，射電望遠鏡還可以組成大規模、形式多樣的陣列，這也大大加強了人類探索宇宙的能力。

設計簡單的「大喇叭」

當代美國貝爾實驗室的研究人員是無線電研究的先驅，他們不僅發現了射電信號，而且還繼續深入研究。1964年，美國貝爾實驗室的人員發現了來自天空的訊號。這個訊號不隨時間改變，24小時存在，與地球自轉無關。這就是宇宙微波背景輻射，它是宇宙發生大爆炸的最好證明。

發現宇宙微波背景輻射的是一台「大喇叭」——大耳朵射電望遠鏡。大喇叭的張口和長度達到了最佳匹配。它被固定在一個大圓環上，轉動起來就能調節仰望天空的角度。這種射電望遠鏡設計簡單，造價低廉，是那個時代最具代表性的人類作品之一。不過，隨著建造技術的快速發展，它開始慢慢步入冷宮。

……

覆蓋半個歐洲的低頻陣列

歐洲大陸建有一個射電望遠鏡陣列——低頻陣列（LOFAR）。這個低頻陣列更像是一種多用途工具，研究範圍從無線電波到遙遠的宇宙現象，還有那些由宇宙射線撞擊地球大氣層所產生的現象。宇宙中存在著很多高能粒子，它們在進入地球大氣層的過程中，都會與空氣中的分子發生作用，引發一系列反應。因此低頻陣列既能探測來自宇宙的電波，也能探測地球大氣層的電磁爆發。

低頻陣列與之前介紹的射電望遠鏡不太一樣，它的天線是棒狀的。射電望遠鏡的天線大致可以分為盤狀的和棒狀的，而「大鍋」就屬於盤狀天線一類。低頻陣列的天線看起來就像是剛剛栽植的樹木，為了保持穩定，工作人員還會為每根天線輔以鏈條支撐。

由2.5萬根天線組成的低頻陣列，覆蓋了350平方千米的區域。它的主陣在荷蘭，5條旋臂伸展開來，進入德國、瑞典、法國和英國，屬於五臂對數螺旋陣列。若從高空俯瞰，低頻陣列的形狀就像是宇宙中的漩渦星系。

FAST成就中國驕傲

為了追求更好的性能，射電望遠鏡的尺寸通常都非常巨大，但尺寸的增大又會給望遠鏡的轉動帶來不少麻煩。機智的美國科學家在波多黎各的大山中找到了一個火山口，在那裡依山而建，修成了阿雷西博射電望遠鏡。

阿雷西博射電望遠鏡的直徑是300米，曾經是世界上口徑最大的單天線射電望遠鏡，不過在2016年7月3日，這個稱號卻被中國的FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）取代了。FAST屹立於貴州的深山中，直徑達到500米，球面由4400多面主動反射單元構成，觀測範圍較阿雷西博射電望遠鏡更為寬廣。

這兩個射電望遠鏡的接收天線都是球面的，但球面的焦點需要改造才能成為拋物面的焦點。阿雷西博射電望遠鏡經過數次變形，才將焦點改造成為拋物面的焦點，但這必然會導致饋源系統更加複雜、龐大，直接影響觀測效果。

與阿雷西博射電望遠鏡相比，我國的FAST不僅口徑更大，技術也更為先進。FAST的表面看似是球形的，但實際上卻可以通過鏡面變形技術使部分面板隨時改變其距離地面的高度，成為直徑300米的拋物面，這就大大減輕了饋源系統的重量。

……

射電望遠鏡的大聚會

人類將射電望遠鏡組成陣列的技術越來越成熟。今年，一個全新的射電望遠鏡陣列也要開始建造——平方公里陣列（SKA）。這是一個由20多國共同參與的龐大計劃，更是人類歷史上最大的天文合作項目。

SKA得名於其巨大的信號採集面，這並非意味著它具有1千米的天線口徑，而是因為它由上千台較小的天線陣列組成。按照計劃，SKA將橫跨三大洲，其基線會超過3000千米，核心處的半徑在5千米左右。組成這個陣列的射電望遠鏡品種多樣，將擁有3000個直徑為15米的拋物面蝶形天線和250組中、低頻孔徑陣列，低頻陣列的成員包含100多萬個低頻天線。

SKA建成後，其靈敏度將是現有地面最大的射電望遠鏡陣列EVLA的50倍，解析度是EVLA的100倍，巡天速度更是提高了10000～200000倍。此外，它還能探測到10光年外的雷達信號，觀測到130多億年前宇宙大爆炸開始後不久的宇宙現象。其中央計算機處理能力相當於1億台家用台式機的能力，每天傳輸的數據量將超過目前全部互聯網的流量，使用的光纖足夠環繞地球2圈。

事實上，SKA的重要意義不僅在於其技術和體量的提升，更在於它將歐洲的低頻陣列、南非的MeerKAT厘米波射電望遠鏡和澳大利亞的ASKAP平方公里陣列射電望遠鏡相連接，從而具備了對整個天空進行協同觀測的能力。

過去的射電望遠鏡往往是單打獨鬥，或是僅僅形成局部網路，受到地域限制，它們都只能觀測星空的很小一部分，許多重要天文事件可能因此錯過。將世界各地的天文望遠鏡連成網路，自然能更加全面地觀測整個星空。

作為世界上即將建造的最大綜合孔徑射電望遠鏡，SKA是否真的能如科學家所願，為人類解答有關星系演化、暗能量、引力本質、宇宙磁場等秘密呢？我們還不得而知。但是建成後的SKA必然將會是未來科學家的重要科研工具。這一場射電望遠鏡的大聚會，也將引領射電天文學的新革命。

更多精彩內容，敬請期待201611期《科學24小時》！

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