【科普君】「中國天眼」FAST與阿雷西博:探索宇宙之路漫漫

2020-12-22 騰訊網

「中國天眼」與阿雷西博：

探索宇宙之路漫漫

2020年11月19日，位於美屬波多黎各的阿雷西博天文臺射電望遠鏡(Arecibo Observatory)因電纜故障而出現嚴重損毀。美國國家科學基金會(NSF)隨即宣布將拆除這座射電望遠鏡，原因是其支撐鋼索兩次發生鬆脫斷裂並砸毀鏡面，望遠鏡受損部分已無法修復且存在坍塌風險。

這意味著，工作了57年的阿雷西博終於「退休」了。

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阿雷西博：曾經的天眼

阿雷西博望遠鏡直徑305米，建成於1963年。直到2016年被「中國天眼」（即FAST，500米口徑球面射電望遠鏡）超過之前，它曾是世界上最大的單口徑射電望遠鏡。

阿雷西博所處地區自然地貌特殊，工程師利用當地自然形成的碗狀石灰巖地形建造出直徑為305米的阿雷西博射電望遠鏡，遠超當時最大口徑不超過100米的人造望遠鏡天文臺。我國貴州黔南州平塘縣的「天眼」射電望遠鏡也借鑑了類似的工程方法，以便減少工程施工量，並提升排水性能。

「中國天眼」FAST望遠鏡

精密的宇宙探測站

望遠鏡是一種通過透鏡或者面鏡將電磁波（例如可見光）折射或者反射以協助觀察遠方物體的工具。而不同於普通望遠鏡，阿雷西博射電望遠鏡除了主體為305米直徑的球面反射器之外，還有一個150米的接收器，該接收器平臺重達900噸，通過18根鋼纜和三座高塔懸吊在球面反射鏡上空。接收器通過平臺下方的一個可旋轉滑動軌道，能在一定範圍內移動，用以調整接收不同方向射電信號反射的焦點，實現對指定範圍天區的高精度觀測。

接收器可以接收可見光之外的輻射波，比如宇宙星空發射到地球的射電波。天文學家可以藉此觀測那些肉眼看不見的低溫目標或者瀰漫在宇宙中的星際氣體。人類通過這種特殊金屬結構的望遠鏡來接收信號後，經過處理就可以呈現出宇宙的實際影像。

曾經的「世界天眼」

阿雷西博的主要用途集中在三個方面，分別是射電天文學、高層大氣物理學和雷達天文學。阿雷西博在當時屬世界領先水平，曾立下不少汗馬功勞。

1964年，投入使用不久的阿雷西博在對水星進行觀測後，將水星的自轉時間確定為59天，打破了此前88天的錯誤認知。

不久之後，人類通過阿雷西博在蟹狀星雲的中心發現了一顆隱藏的脈衝星，也就是旋轉的中子星。這是人類第一次發現中子星存在的確鑿證據，為天文學對恆星的生命演化過程的認識補齊了最後一塊拼圖。

1990年，科學家運用阿雷西博在太陽系外發現一顆新的脈衝星，並且確認脈衝星附近有三顆環繞它的行星，這是人類第一次發現太陽系外的行星，這意味著像地球這樣的行星在宇宙中是普遍存在的。

在阿雷西博望遠鏡近半個世紀的生命周期裡，無數科學家根據其觀測結果做出了不同發現研究，因阿雷西博創造的科研成果可謂斐然。

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FAST：中國天眼，不負眾望

中國天眼，全名叫「500米口徑球面射電望遠鏡」，簡稱FAST。

我國的天眼是如今世界上最大的單口徑射電望遠鏡，位於貴州省黔南平塘縣喀斯特窪坑中。最早在1994年由我國天文學家南仁東提出過構想，之後中國花了22年的時間，即在2016年9月，才把天眼修建完成，它對中國的重要意義不亞於核武和北鬥系統。

無人機拍攝的「中國天眼」全景

中國天眼看起來就像是一個放大版的鐵鍋，它的直徑有500米，反射面的面積相當於30個足球場的大小。如果把它比喻成一口盛滿水的鍋，那麼全世界每個人都可以分4瓶礦泉水，由此可以想像它的建造難度有多大。

反射面可以視為中國天眼的視網膜。它由一個500米口徑的鋼梁架在50根巨大的鋼柱上面，然後一個由6670根鋼索編織的索網掛在環梁上，再在上面鋪上4450塊反射面單元，最後由6根鋼索拖動重達30噸的饋源艙抵達焦點位置，跟蹤天體發射的電波，從而接收到來自宇宙的信號。

反射面下面有2225根下拉索固定在地面上的觸動器上，通過這些觸動器拽這些下拉索，就可以控制索網的形狀為球面或拋物面，這樣就可以進行天文信號的收集和觀測。

中國天眼（FAST）自今年1月驗收以來，設施運行穩定可靠，近一年已經觀測服務超過5200個機時，達到預期設計目標近2倍。截至目前，FAST累計發現脈衝星數量超過240顆，基於FAST數據發表的高水平論文達到40餘篇。

發現脈衝星是中國天眼的一大重要功績。脈衝星是會發射周期性信號的中子星，大質量恆星到了生命末期，坍縮形成中子星後，體積急劇縮小，獲得的角動量讓其快速旋轉，其強大的磁場讓它從兩極發射出束狀的無線電波（射電波）。當這束射電波掃過地球時，就可以被射電望遠鏡接收，讓我們知道它的存在，並根據獲得的數據分析它的各種屬性。

中國天眼是目前世界上最靈敏，最大全口徑反射面的單口徑射電望遠鏡，截止今年1月驗收已發現了240+顆脈衝星，其強大的解析度將會在未來大展身手，找到宇宙中越來越多向我們發射信號的燈塔——脈衝星，可用於構建未來宇宙飛船在太空中導航的「GPS」。

中國天眼在調試期間的性能已經超出科學家們的想像，正式驗收後將開始雄偉的觀測計劃，除了脈衝星和分子雲的探測，還將加入國際合作，用於與生命起源相關的太空分子觀測，以及搜尋潛在的地外文明發來的信號等。這些觀測項目將在未來幾年內進行，科學家們認為，中國天眼將對世界天文學和天體物理學領域產生深遠的影響，雖然我們還無法預測它會發現什麼，但它可能會深刻地改變我們對宇宙的認識。

至目前為止，中國天眼成為世界上僅存的一隻「天眼」望遠鏡，可以說之後全世界在天文領域的探索都將只能依賴「中國天眼」。讓我們共同祝福「中國天眼」在未來能夠勇往直前、徵服星辰大海，創造中國太空探索新高度。

參考資料：

1. 阿雷西博望遠鏡正式「退役」，人類為探測太空有多努力？

2. 240+！中國天眼，不負眾望

https://zhuanlan.zhihu.com/p/275681306

3. 中國天眼：這口大鍋能幹啥？

https://zhuanlan.zhihu.com/p/146228007

來源：工大青年匯

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