FAST天眼能看点啥？

中国科学院国家天文台

钱磊(2018年11月20日在中山大学的讲稿)

FAST，也叫做天眼，全称是500米口径球面射电望远镜。所谓射电，就是来自宇宙的无线电。如果不好理解什么是射电望远镜，就把射电望远镜理解为大号的电视天线好了。只不过射电望远镜有可能接收到外星文明的电视信号。它是坐落于我国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村的一台射电望远镜，全称是500米口径球面射电望远镜。这一句话里的信息量是不是有点大？容我慢慢道来。

图1. FAST建设在一个卡斯特洼地中

先看到FAST所在的地方。平塘县，大家是不是之前都没怎么听过这个地方？这是贵州省一个相对比较偏远的地方。为什么要把FAST建在一个偏远的地方呢？有几个原因，容易想到的是，偏远的地方人类活动少，对望远镜观测的干扰少。在望远镜选址的时候，FAST周围的电磁干扰确实少。不过考虑到FAST周边城镇的高速发展，现在FAST的电磁环境保护也面临比较大的压力。把FAST建在这个地方的另一个原因就是这里的喀斯特地形。如果大家到过贵州省的这一片地区，你们会发现这里有很多洼地，而且很多都接近一个球冠，如果把一个球面望远镜放到这些洼地里，形状差不多刚刚好，不用挖太多的土石方，这对应一个工程来说非常重要。另一方面，如果大家到过这个地区，你们会发现，虽然这里雨水很多，但是地面上几乎没有河和湖，水都在地下河里，基本上下多大的雨，洼地里也不会积水，这对于望远镜的安全运行非常重要。为了让大家有个直观印象，我们来看看建在北京已经弃用的FAST缩尺模型，几年没有维护，下面的坑里已经有几米深的积水了。而在卡斯特地区，这种事情几乎不会发生。

图2. 密云模型下面已经有好几米的积水了

把一个五百米口径的球面反射面放到一个卡斯特洼地里是不是就可以了？不是，如果要实现聚焦，我们必须想一些办法。我们知道抛物面可以将平行光聚焦。来看一段抛物面聚焦的视频。那么抛物面是不是必须的，是也不是。美国的Arecibo望远镜也座落在喀斯特洼地里，也是球面，实现了聚焦，但是通过复杂的光路实现的。这带来的问题是支撑馈源舱的平台很大、很重。放大到FAST这样的尺度，这个平台的重量会达到一万吨，这是不太现实的。所以FAST的聚焦需要抛物面。为了实现这一点，FAST的反射面必须主动变形。这是FAST的光路图，在观测的时候，使用下拉索调整口径300米区域的一部分反射面单元，可以形成一个抛物面，观测不同方向的源，使相应区域的反射面变形为抛物面。同时，馈源舱携带馈源在焦面上运动，保证相位中心总是处于抛物面焦点。

图3. FAST光路图

信号聚焦之后，由接收机接收，转换为数字信号进行处理。由于望远镜和观测室距离超过一千米，为保证衰减较小，信号是通过光纤传输的。FAST目前有七套接收机，覆盖了70 MHz-3 GHz频段。其中超宽带接收机和多波束接收机是两台进行了试观测，取得了观测成果的接收机。左边是超宽带接收机，右边是多波束接收机。

一台望远镜能观测什么，取决于和观测有关的一些因素。其中包括但不限于灵敏度、空间分辨率、时间分辨率、频率分辨率、带宽、积分时间、地理位置、天顶角、人力及思想（Human bandwidth）。抛开积分时间、带宽等因素，评价一台望远镜的本征灵敏度可以用有效接收面积除以系统温度。所以要想本征灵敏度高，有效接收面积要大，系统温度要低。一度，我们对FAST的这个指标没有信心，觉得大概达到1600平方米每开尔文都很困难。但现在看来2000平方米每开尔文是可以达到的。有效接收面积当然不能增大，主要是系统温度降低了，近年来，世界上的接收机技术进步了。使用19波束接收机，FAST的系统温度大约为20 K，这就到达了2000平方米每开尔文。FAST在1.4 GHz的波束宽度是2.9角分，满月的宽度是30角分，人眼的分辨率大约是0.3角分。所以从看清楚的角度来说，FAST不如人眼，不过已经很不错了，很多射电望远镜看月亮都只是一个点。关于时间分辨率，由于FAST是数字采样，可以很高，首先的限制是时间宽度和频率宽度之间的不确定关系，这是傅里叶变换的性质造成的。目前为了探测毫秒脉冲星，时间分辨率设为几十微秒。关于频率分辨率，参考时间分辨率，也要满足不确定关系。为了搜索外星文明信号，最高频率分辨率为5 Hz。对应0.001 km/s的视向速度分辨率。另外，FAST位于北纬25.6度，可观测天顶角40度，不过，由于地球转动，FAST可观测天区可不是一个椎体！还有一个因素，经常被忽视，就是人和思想。望远镜能观测什么，自身因素固然重要，但如果人不能把望远镜用好，那望远镜能做的事也很有限。

为了回答FAST能看点啥？我们先来看看历史上，射电望远镜都看了点啥。这是公认射电望远镜做出的比较重要的成果。先看最后一列，是否预期之中？几乎全是没有预期到。好在还有一两个预期到的。要不然大家就可以不用听下去了。来看看口径和FAST最接近的Arecibo望远镜做出了哪些发现。有一些是通过雷达的办法实现的，相当于发出了一束光，把要看的目标照亮了然后再看。其他发现包括超脉泽（也就是微波激光）、中性氢成图、脉冲双星、毫秒脉冲星。总结起来，脉冲星、中性氢、分子谱线。

这也正是FAST三个重要的科学目标。虽然根据历史经验，重要的发现通常是未知的未知，但是我们能做的还是从已知的未知开始。我们知道FAST能观测的科学目标有银河系内的中性氢、银河系外其他星系中的中性氢、脉冲星、分子谱线、快速射电暴、外星文明、以及未知的未知。顺便插一句，前面提到射电望远镜就是天线，所以广播电视天线能收到的，射电望远镜也有可能能收到。下面来具体看一下这些科学目标。

氢是原子量最小的元素，也是宇宙中最丰富的元素，所以，氢可以用来观测星系的结构，当然包括银河系的结构。氢有各种存在形式，我们关心的是基态的中性原子氢，称为中性氢。中性氢会发出波长为21厘米的谱线，频率1420 MHz，在FAST频段之内，所以是FAST的一个重要观测目标。宇宙中中性氢虽然多，但很多情况下是稀薄的，意思是，如果我们把每个氢原子想象为发光小球，这些小球是互不遮挡的，那么根据接收到的光的强度，就可以推测有多少个发光小球，也就可以测量中性氢的质量了。

现在已经有对银河系及附近中性氢分布的成图。从图中可以看到银河系、大小麦哲伦云（两个银河系附近的矮星系）。FAST可以对部分天区进行更细致的观测，帮助我们看得更清楚，看到更多结构。河外星系中的中性氢可以示踪一些可见光看不见的结构，比如图中的潮汐作用造成的尾巴。中性氢还可以看到可见光看不到的星系间的相互作用。

银河系和河外星系里还有一些别的谱线，比如河外星系中的脉泽，也就是微波波段的激光。激光的特点是什么？在这里，最有用的特点就是亮和单色性好。亮，使得我们可以测量距离很远的源。单色性好，使得我们可以精确测量星系的红移。

脉冲星是一种发出周期性脉冲的天体。这种周期性是由于转动造成的，类似于灯塔，就是这个样子，是不是很像？大部分脉冲星发出射电脉冲，可以用FAST观测。脉冲星是一部分中子星。这是脉冲星磁场和辐射束的示意图。很多中子星不发出脉冲，或者辐射束不扫过地球，不产生脉冲。脉冲星个头不大，半径10千米，大概是一座城市的大小，不过脉冲星质量不小，质量和太阳相当。中子星是大质量恒星塌缩形成的，就是把恒星物质压缩到一个小体积中。微观上看，就是把原子核和原子核挤到一起，把原子里的空间都填满。我们来看一下恒星，比如太阳。这里提个问题，太阳多少天转一圈？有没有可能让太阳一秒转一圈？事实上，太阳每25天转一圈，其他恒星也不可能一秒转一圈，因为离心力不能超过引力，否则恒星就散架了。但是，把恒星物质压缩到中子星中，中子星就可以转得很快了。因为角动量守恒，半径变小了，角速度就变大了。有兴趣可以找把转椅，拿两个哑铃试试。

把脉冲星的信号放到相位-频率图上是这样的，其中可以把相位简单理解为时间。能看到什么？高频信号先到，低频信号后到，高频信号传播速度快。大家有没有觉得奇怪？如果在空气中，是红光速度快还是蓝光速度快？但射电波在星际介质中传播的时候就是高频速度快。时间延迟和频率的关系是已知的，所以可以改正时间延迟，把不同频率的脉冲对齐。然后把不同频率的脉冲加起来，就可以得到我们通常理解的脉冲了。简单说，这就是搜寻脉冲星的过程。不过通常脉冲星很弱，在前两幅图中是看不到什么明显信号的，这也是脉冲星搜索的难度所在。这是FAST发现的一颗毫秒脉冲星。现在FAST已经发现了五十多颗脉冲星了。或许未来我们能确定快速射电暴的来源，也或许能发现脉冲星和黑洞组成的双星系统，这些都算是已知的未知。

上面提到的中性氢、脉泽是频域观测，脉冲星多半是频域观测。而那些未知的未知可能用时域-频域联合分析才能发现。这是SETI（搜寻外星文明）的一个示意图，是SETI@HOME项目的电脑屏保。这很好地展示了我们面对的数据——随时间变化的频谱。不做特殊处理，我们看到的就是噪声，但是可以肯定，这里面是有信号的，怎么把信号找出来，这是需要努力的。信号就是沙子里面的金子。自然的信号通常是简单优雅的，各种调制信号通常是人为造成的。不知道外星文明是不是也像我们一样对信号进行各种调制，大概率是的。所以外星文明搜寻将面对人工调制+星际介质调制的信号，这是未来要解决的问题。欢迎大家贡献自己的智慧！

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