全世界最大的天文望遠鏡 真在中國?

2020-11-23 TechWeb

一口幕天席地的鍋,涮著星群的波

聽說,上星期,各大媒體蜂擁到了貴州的一個山坳裡,人人都在傳:

「大鍋!」

「直徑500米!」

「面積足有30個足球場!」

美食節目?當然不是。這口架在平塘縣天然喀斯特坑谷裡,大得漫山遍野的金屬鍋,涮的並非酸筍餌塊,而是電磁波。它就是近期最耀眼的天文工程明星,國家重大科技基礎設施——500米口徑球面射電望遠鏡。雖然英文簡稱「FAST(快)」,整個項目可是慢工出細活:

1.1994年選址,2011年開工——搞定鍋臺:

2. 2014年底圈梁合龍,2015年二月索網編攏——支起鍋架:

3. 2015年八月初到現在,反射面單元一塊塊吊裝成功——正拼鍋殼:

等明年九月竣工,相信,比起那些給山加個蓋兒給島套個圈兒的環境雕塑,FAST也不遑多讓,堪稱又酷又深情的大地藝術(land art)吧?

難道,還有比FAST更大的?——天文望遠鏡快速分類法

世界最大的球面射電望遠鏡,FAST當之無愧。然而,去掉前綴,它是不是世界最大的望遠鏡呢?

如果你上網搜索一下,可能會發現,這個百科說:最大的在西班牙,直徑10米。那個媒體說,最大的在智利,正在建,直徑39米。還有的說,最大的在俄羅斯,直徑576米。更多的說,落伍了吧,最大的在南非和澳大利亞,也在建,據說信號收集面積1平方公裡,分布範圍超過3000公裡!

有準兒沒有?

其實,這些說法都沒有錯,但並不嚴格,這就得淺顯講講天文望遠鏡的分類。

分類法很多,最系統的,是按照望遠鏡探測的電磁波類型來區分:探測無線電的,叫射電望遠鏡;探測可見光的,叫光學望遠鏡;類推之,還有紅外線、X射線、伽瑪射線望遠鏡等。

每一類可以按照不同的標準再細分下去。

例如射電望遠鏡可以按照形態分為,球面射電望遠鏡、拋面射電望遠鏡、帶形射電望遠鏡,還有一種,是把好多單個射電鏡連起來,組成一個望遠鏡陣,再把單個採集的數據綜合起來,這個陣,就相當於一個虛擬的超大望遠鏡了。

再例如,光學望遠鏡可以按照原理分為,折射望遠鏡、反射望遠鏡、折反射結合望遠鏡,也有多個望遠鏡組成的陣。

而只有同一類,才能比大小。

不過,科學之美,既形而上,也形而下,又豈止於大?

就像音樂愛好者衍生了音響發燒友,天文愛好者也會衍生出天文工程控和天文臺旅行團。一句話:我們愛星星,但我們更愛望遠鏡!滿世界名山大川、「宮堡基廳」,全是熱門旅行團在合影,再踏上說走就走的窮遊路時,我們何不獨闢蹊徑,去看看奇形怪狀的望遠鏡?

好了,快速分類法在手,現在我們可以拿起世界地圖,訂好機票,挑想看的看了。

射電望遠鏡之美,美得波瀾壯闊,地陷天旋。先看它們。

拋面射電望遠鏡

大多數射電鏡,都是拋面的。如果看過安慰劑(Placebo)樂隊名曲《The Bitter End》的MV,也許還記得,主唱Molko帥氣得刷著吉他,鏡頭一拉,人小如蟻,竟是站在英國柴郡的洛弗爾(Lovell)望遠鏡上,拋面碟盤直徑76米,轉得白雲千載空悠悠:

如果在拋面射電鏡裡排尺寸,這個叱吒流行文化的天文工程明星只排第三,德國波恩直徑100米的艾菲爾斯伯格(Effelsberg)望遠鏡排第二,而第一名,也是這顆星球陸上最大的可移動物體,在美國西維吉尼亞,直徑110米,高過自由女神像,叫「綠岸」(Green Bank)——沒錯,《三體》的「紅岸」即典出於此:

感受到它的美了嗎?綠岸淋漓盡致地體現了射電鏡的純白,高冷,奇崛,未來派。

順嘴一提,綠岸直徑90米的前身,三十年前因為角撐板故障,用著用著,居然塌了,可你瞧,塌都塌得這麼帥:

而最能滿足民族虛榮心的,叫「天馬」,直徑65米,亞洲最大,自一二年起屹立上海松江,在黃昏蒼穹下緩緩巡天時,目擊者普遍表示已經看哭:

如果過幾年,等新疆奇臺直徑110米的建好,這座次還得重排。

到時候,中國搖滾樂隊有福了,農業重金屬和胡同小清新們,終於不必死守著冷卻塔或綠皮火車自拍個沒完了。

球面射電望遠鏡

拋面和球面的區別在於:電磁波平行入射進來,前者能把它們聚焦在一個點上,後者卻只能聚焦在一條線上。只有聚焦處,才能用饋源採集數據。

這就要說到FAST的最新進展了:大鍋四周,六座百米多高的支撐塔,用鋼索吊起了饋源艙——就是那個紅頂小白盤:

可能有些看不真切,太遺憾了。因為通過它,可以引出FAST最大的創新點,叫「主動反射面」。而這,還得從另一口大鍋講起。

如果看過暴露年齡的《007之黃金眼》或《超時空接觸》,也許對那一口嵌在朗朗青山中的大鍋還有印象。那正是FAST的前輩,波多黎各的阿雷西博(Arecibo)望遠鏡,直徑305米:

如今,這個獨大五十年,叱吒流行文化的天文工程明星,行將在球面射電鏡裡屈居老二了,它不僅輸在尺寸,也在技術:採集數據太費勁。

記得007和006懸空搏鬥的那根大白棍嗎?是阿雷西博早先的饋源,直接沿著焦線,不太好用,被換掉了:

記得吊在科學女和宗教男身後的那個大穹頂嗎?是阿雷西博後來的饋源艙,間接把焦線聚成焦點,好使,可有好幾百噸重:

接下來,就要說到「主動反射面」了:FAST的反射面能局部變形成拋面。

這樣,採集數據可輕鬆多了,大白棍和大穹頂都不需要,紅頂小白盤就夠,才30噸重。

江山代有「大鍋」出,風騷輪到FAST領。

這次,本土科幻導演有福了,再向海外輸出文化產品時,不愁沒有狂拽炫酷的實景。

帶形射電望遠鏡

如果不限於球面,確實還有比FAST更大的射電鏡。

它來自擅長氣吞山河的前蘇聯:近九百塊反射單元圍成一個圈,加上複雜的饋源,構成了世界最大的單個兒射電望遠鏡。這就是前面說直徑576米,在俄羅斯北高加索的RATAN-600:

射電望遠鏡陣

還有比FAST和RATAN-600更大的嗎?不好說。

如果你看過《終結者2018(Terminator Salvation)》,也許會對下面這個剿殺人類的天網基地眼熟。

最炫出場,還是《超時空接觸》,科學女收到外星人信號,縱身飈車時,背景上二十七架直徑25米的拋面鏡組成一個Y型陣,搖頭晃腦,不時踩著21公裡長的軌道雍容變陣,簡直像十層樓高的機械百合花在集體散步:

這就是叱吒流行文化的最大牌天文工程明星,美國新墨西哥的甚大陣(Very Large Array):

這種陣,小到兩畝三分地,大到縱橫大洲,跨越大洋,浩浩湯湯,好看極了,前面說的幾位拋面、球面大佬,還有南非和澳大利亞那個在建的平方公裡陣(Square Kilometer Array),都是未來寰球望遠鏡網的一部分。

但這畢竟是陣,和單個兒的比尺寸,沒有意義,在解析度和靈敏度上,各有優勢。

光學反射望遠鏡

射電鏡更像天線,像耳朵,光學鏡則更像鏡子,像眼睛。

前面說直徑10米的,是西班牙加那利群島上的大加那利望遠鏡(Gran Telescopio Canarias)(見下圖),而直徑39米的,是智利阿塔卡馬沙漠上的歐洲極大望遠鏡(European Extremely Large Telescope),都是反射鏡,也分別是現有和在建的最大的光學望遠鏡。

它們的鏡面是由許多六邊形的小鏡拼起來的。

有整塊的嗎?有!

如果你看過國家地理頻道的《極限維修大挑戰》,可能還記得那塊直徑8.2米,厚才18釐米的大鏡面,被小心翼翼地拆掉,運下山清洗,主持人說,一定要蒙好帆布再運啊,的確,不然陽光被這麼大的凹面一聚焦,雷射炮似的,天堂都要被燒化吧。

這就是也在阿塔卡馬的甚大鏡(Very Large Telescope),一共四個反射鏡,主要單個兒使,偶爾也組成陣: 

注意別搞混:甚大「陣」在美國,是射電鏡;甚大「鏡」在智利,是光學鏡。

光學折射望遠鏡

那折射光學鏡呢?這可說來話長。折射鏡資歷太老,是所有望遠鏡的祖宗,現在提得少了,可當年照樣叱吒過:

1673年,偉大的赫維留造了一架20釐米細,46米長的折射鏡,跑道似的吊在27米高的桅杆上,吹口氣兒就打晃兒(見左下圖)。

1686年,偉大的惠更斯兄弟造了一架22釐米細、64米長的折射鏡,沒有鏡筒,物鏡高懸樹梢,目鏡攥在手裡,中間連著一根繃直的長繩,以助校正,看上去更像兒童錫罐電話,用於跟瞠目結舌的雲彩聊天(見右下圖)。

夠驚世駭俗吧?沒有這些神經病似的狂想,哪兒來的現代科學啊。雖不能觀,心嚮往之。

天文望遠鏡旅行地圖

其它奇形怪狀的望遠鏡還有的是:美國新澤西的號角天線(Horn Antenna)像個大耳朵,發現了宇宙微波背景輻射,也算射電鏡:

另有飛在平流層的索菲亞天文臺(SOFIA)帶了紅外線鏡(見左上圖),趴在月亮上的嫦娥三號端著近紫外/光學反射鏡(見右上圖),飄在外太空的哈勃(Hubble)是光學反射鏡(見左下圖),埋在南極冰下分布一立方公裡的冰立方(IceCube)是中微子望遠鏡(見右下圖)……都太遠了,高山仰止吧。

遊不在遠,有心則靈。哪怕就在北京,在霧靈山腳啃著罐燜肘子,抹抹油嘴,望望山巔靜若白鴿的郭守敬望遠鏡(LAMOST),也會剎那間盡褪紅塵,一洗凡心吧?

最後奉上的,是最迷人的:在一座小山頂,3噸水銀被傾入一隻巨盤,款款旋轉,一個完美的液態拋面翩然出現,一個直徑6米的金屬池塘,終於映出了天頂的群星。

這是加拿大不列顛哥倫比亞的液態望遠鏡:

最後,總結本文所及大部分望遠鏡的地理位置:

鄭重提醒:

天文望遠鏡觀光,宜遠觀,不可褻玩,切忌幹擾!

看光學鏡,關掉電筒!

看射電鏡,關掉手機!

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