我們有理由期待，它將找到第一批外星人

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作者：沈環宇

編排：馮中

它是FAST，它是年輕的射電天文學。

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2016年7月3日上午，位於中國貴州省黔南州平塘縣克度鎮金科村大窩凼（讀作dàng，意為塘、水坑）的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST，Five hundred meters Aperture Spherical radio Telescope）的最後一塊三角形反射鏡面開始起吊，並在索網上面安放到位。至此，FAST球面上的全部4450塊反射鏡面均已安裝完畢，望遠鏡的建設和組裝工作宣告結束。FAST的超高靈敏度和高分辨力將助力中國的射電天文學邁向世界前列。

這是一幅FAST望遠鏡在組裝工作臨近完成時的航拍實景，可以看到它龐大的主體被黔南群山所環繞。這裡在十幾年前還渺無人煙，僅有幾十戶村民住在這兒，而且不通電，老百姓的生活基本與現代文明相隔絕

同樣是掛著「望遠鏡」的名號，FAST卻與我們日常熟悉的天文望遠鏡有很大不同。首先，FAST的口徑非常大，達到了500米，即便是觀測時的瞬時有效口徑也達到了300米。而地面上的光學望遠鏡口徑一般很難超過十米，否則由鏡片自身的重量所引發的鏡面變形對其成像質量就會有顯著影響。其次，FAST似乎被固定在了一口大山坳里，不是像天文望遠鏡那樣被安裝在某種腳架上。即使是德國的口徑為100米的玻恩射電望遠鏡，好像也有一個可以令其「擺頭」的支架。那麼，FAST究竟是一台怎樣的設備，它又能在哪些領域幫助中國的天文學家取得領先世界的成果呢？為了了解這些，先讓我們一起回顧天文學旗下一門相對年輕的分支學科：射電天文學。

如果說現代物理學起源於牛頓在1687年出版的《自然哲學之數學原理》一書，化學起源於中國的煉丹術和西方的鍊金術，微生物學起源於列文·虎克發明的顯微鏡，那麼沒有人能說清楚天文學是何時何地起源於何人的研究。歷史上，幾乎所有的古文明都曾經獨立地發展過自己的天文學。只是，當時的視界必然受限於那個年代的觀測手段，渠道的局限性在天文學的發展史上表現地尤為突出。總的來講，人類天文學史上總共有三次觀測手段的革新。首先是1610年，義大利物理學家兼天文學家伽利略發明了第一架光學望遠鏡，使人類得以突破自身生理局限（即暗夜中人的瞳孔所能張開的最大口徑，正常人約為7—8毫米），大幅提高了人們在可見光波段的集光能力。目前，經過了三百多年的技術發展，以哈勃空間望遠鏡為代表的頂尖儀器已經能夠令我們觀察到宇宙大爆炸後最早一批誕生的星系。如此不可思議的成就在人類引以為傲的同時，也證明了可見光天文學有其自身的極限，在未來難有前沿性的突破。

不同波段的電磁波。可以看出人眼的可見光範圍在其中非常狹窄

天文觀測手段的第二、三輪革新是有關聯的，它們都來自於十九世紀麥克斯韋的經典電磁理論。當時，麥克斯韋敏銳地指出了光其實是一類波長範圍極其狹窄的電磁波，在可見光之外，自然界或許還存在其他各類波長的電磁波。這樣的預言彷彿開啟了一扇通往巨大未知世界的窗戶，人們迫切地想知道那些比紅光波長更長，或者比紫光波長更短的「不可見光」的世界是什麼樣的。只是，要想突破十幾億年來的生物進化限制，去自由感受不同波長的世界談何容易。地球上的生命選定0.7微米到0.4微米的電磁波作為可見光有其背後的原因，那就是我們的太陽。它最強的能量輻射段正好落於可見光的中心：黃光波段。在自然界中，唯有像恆星內部的核聚變這樣的物理過程才可能產生可見光，因而在夜空中能被人們直接觀察到的目標大都是恆星、星系，或者是被恆星光芒激發的星雲等等。然而，宇宙中的絕大部分地方顯然都不具備恆星內部的物理環境，相反，是處在某種低溫、空曠的亞真空狀態。那裡的亞真空比地球上最好的實驗室所能製造的真空還要空。根據維恩定律，那是毫米波，厘米波，甚至米波的世界。射電天文學由此初露端倪。

卡爾·央斯基（Karl Jansky，1905—1950），美國無線電工程師，44歲英年早逝。為紀念他的傑出貢獻，國際天文學聯合會射電天文小組委員會於1973年通過決議，使用「央斯基」作為天體射電流量密度的單位，簡稱「央（Jy）」

最早辨識出天文學的無線電波源完全是個意外。那是在上世紀三十年代早期，美國貝爾公司的一位研究員卡爾·央斯基，在使用巨大的定向天線研究短波雜訊的分布時發現：當天線逐漸靠近銀河方向時電磁干擾逐漸增大，並且在人馬座方向達到極值。他還發現這種雜訊干擾會隨地球自轉，於23小時56分鐘（一個恆星日）內完成一輪周期性變化。他最終得出結論，認為這種始終存在的短波本底雜訊應當是來自銀河系的某種赫茲波。奇怪的是，他當時並沒有在短波雜訊裡面發現太陽的蹤跡。直到數年後，第二次世界大戰進行地如火如荼之際，一位英國的陸軍研究員才在甚高頻軍用雷達中監測到了來自太陽的強烈電磁干擾。而在此之前，天文學家已經尋找太陽的射電信號很多年了，均沒有收穫。這一消息直到戰後的1946年才公之於眾。天文學家查閱了當時太陽的活動記錄，得知那幾日恰巧有一枚大黑子經過日輪中心。這次的意外證明了兩件事：第一，前人明顯低估了太陽的射電發射頻率，當然，這其中還有甚高頻雷達製造技術上的困難；第二，太陽的射電干擾與日面活動的光學現象是有聯繫的。自此以後，英聯邦國家陸續開展了一系列針對太陽的射電觀測工作，基本弄清楚了太陽在射電波段輻射強度的變化規律。

地球大氣的窗口分布。可以看出大氣為人類預留出的兩個透明通道，分別是可見光與射電波段。其他對生命有害的諸如X射線、γ射線、紫外線，甚至遠紅外線都無法穿透地球大氣層，就好像我們的可見光無法穿透金星大氣層那樣

二戰結束以後，同射電天文學蓬勃發展相呼應的是X射線和γ射線天文學的興起。不過，由於地球大氣的觀測窗口制約，這兩門學科必須藉助於火箭的力量將觀測儀器送往宇宙空間。這無疑大大提高了該領域的研究成本。不過最終結果卻是非常值得的。如前圖所示，X射線和γ射線是比可見光波長短得多的電磁波，因而常常與某些極端暴烈的物理過程相聯繫，例如超新星爆發、緻密星碰撞、黑洞吸積等等。激烈的物理環境常常蘊含著物理學的新知，因此該領域成為天文學家們趨之若鶩的對象也就不足為奇了。值得一提的是，眼下我們正在經歷第四次天文觀測手段的革新。這便是引力波的加盟。它極有可能為我們帶來宇宙深處關於黑洞合并、暗物質構成等方面的信息，並且引發新一輪顛覆性的天文認知巨變。未來結果如何，我們仍需拭目以待。

· 未完 ·

責任編輯：馮中

牧夫新媒體編輯部

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via 牧夫天文

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