李偉

美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)生事故

美國(guó)宇航員和哈勃望遠(yuǎn)鏡

自2021年3月31日起，有“中國(guó)天眼”之稱的FAST面向全球開放，各國(guó)科學(xué)家均可提出申請(qǐng)，經(jīng)審核后可使用FAST開展觀測(cè)和研究。2020年12月，美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的接收設(shè)備平臺(tái)墜落，砸毀了反射鏡，難以繼續(xù)工作。在阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡重建之前，F(xiàn)AST成為全球唯一可執(zhí)行太空觀測(cè)任務(wù)的超級(jí)“天眼”。

那么，射電望遠(yuǎn)鏡具有哪些功能？在人類探索太空方面能夠發(fā)揮怎樣的作用呢？

與地外文明溝通的首個(gè)渠道

據(jù)美國(guó)《大眾科學(xué)》雜志報(bào)道，射電望遠(yuǎn)鏡被稱為望向宇宙深處的“天眼”。它配備收集電波的定向天線、放大電波信號(hào)的高靈敏度接收機(jī)，以及信息記錄、處理和顯示系統(tǒng)。它能夠接收和分析來自遙遠(yuǎn)天體的電波，測(cè)量電波的強(qiáng)度、頻譜等。它能發(fā)現(xiàn)高能量天體和高能輻射現(xiàn)象，定向觀測(cè)黑洞、中子星等，還能探測(cè)到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看不到的許多星體。

20世紀(jì)60年代，國(guó)際天文學(xué)界獲得了4項(xiàng)非常重要的發(fā)現(xiàn)：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機(jī)分子。這4項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都借助了射電望遠(yuǎn)鏡。

射電望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)重要用途是探索太空，搜尋地外文明。哪個(gè)國(guó)家先接觸地外文明，哪個(gè)國(guó)家就可能先接觸外星的先進(jìn)技術(shù)，并對(duì)這些技術(shù)實(shí)施“逆向研發(fā)”。從理論上說，地球文明與地外文明之間可以通過電波信號(hào)進(jìn)行交流和聯(lián)絡(luò)。射電望遠(yuǎn)鏡有望探測(cè)到微弱的外星電波信號(hào)，可能成為地球文明與地外文明溝通聯(lián)系的首個(gè)渠道。

為星際旅行尋找參照點(diǎn)

據(jù)日本《大人之科學(xué)》雜志報(bào)道，發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星，是射電望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)重要功能。2016年9月，中國(guó)FAST開啟試運(yùn)行，僅用兩年時(shí)間就發(fā)現(xiàn)了59顆脈沖星。人類發(fā)現(xiàn)脈沖星的難度很大，需要極為先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)。射電望遠(yuǎn)鏡能夠在短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星，足見其觀測(cè)能力之強(qiáng)。

脈沖星具備位置、能量相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，因此可以作為星際定位的參照點(diǎn)。人類的星際旅行少不了要利用這種天體。脈沖星就是旋轉(zhuǎn)的中子星，因不斷地發(fā)出電磁脈沖信號(hào)而得名。從脈沖星中遴選出信號(hào)穩(wěn)定的星體，可以應(yīng)用于星際導(dǎo)航。所以，各國(guó)利用射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的脈沖星是多多益善的。

《大人之科學(xué)》指出，射電望遠(yuǎn)鏡的另一個(gè)重要功能是收集宇宙微波背景輻射并進(jìn)行分析，這對(duì)探索宇宙的起源具有重大意義。

報(bào)道形象地把原始宇宙描述成一個(gè)雞蛋，它在微波爐里被加熱，在瞬間炸裂，物質(zhì)噴射的速度極快，并發(fā)出嘭的聲響，聲波向四周傳遞。隨著時(shí)間的推移，微波爐中的溫度降低，雞蛋爆裂產(chǎn)生的聲波也越來越弱——這就是宇宙微波背景輻射。

宇宙微波背景輻射的傳播速度達(dá)到光速。在宇宙大爆炸初期，距離地球非常遙遠(yuǎn)的爆炸中心產(chǎn)生的輻射，要經(jīng)過一定的時(shí)間才能傳到地球。輻射產(chǎn)生的地點(diǎn)離地球越遠(yuǎn)，強(qiáng)度就越小。這就好比遠(yuǎn)處的喇叭聲聽上去不及塞在耳朵里的耳機(jī)聲。宇宙微波背景輻射到達(dá)地球的時(shí)間，會(huì)隨著距離的延長(zhǎng)而增加。

試想一下，如果某一輪宇宙微波背景輻射是從距地球140億光年的地方發(fā)射出來的，那么這一輪輻射就要經(jīng)過140億年才能到達(dá)地球。宇宙誕生至今有146億年。也就是說，射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的這一輻射，是宇宙誕生6億年的時(shí)候產(chǎn)生的，通過它可以獲取并分析宇宙誕生初期的信息。

從太空到地面

據(jù)美國(guó)《太空》雜志報(bào)道，人類用于探測(cè)宇宙的望遠(yuǎn)鏡，按其部署位置可以分為太空望遠(yuǎn)鏡（由衛(wèi)星搭載在太空軌道上運(yùn)行）和地面大型望遠(yuǎn)鏡。兩者都發(fā)揮著非常重要的作用。

對(duì)于太空中的科研設(shè)備來說，最大的考驗(yàn)?zāi)^于極端溫度。據(jù)美國(guó)航空航天局（NASA）專家介紹，太空望遠(yuǎn)鏡在軌道上運(yùn)行時(shí)，有時(shí)要經(jīng)受零下243攝氏度的極低溫度的考驗(yàn)。美國(guó)的哈勃望遠(yuǎn)鏡雖然性能出色，但其因低溫導(dǎo)致的故障令科學(xué)家頭疼，NASA不得不耗費(fèi)巨資進(jìn)行維修。

為了讓太空望遠(yuǎn)鏡能在如此“冷酷”的條件下安然無恙地完成任務(wù)，科學(xué)家選用金屬鈹作為鏡面主要材料。鈹是地球上極輕的金屬之一，且具有無與倫比的抗熱脹冷縮性能，因此它能在很大的溫度變化范圍內(nèi)保持穩(wěn)定性。

太陽(yáng)和地球散發(fā)出的熱量對(duì)于太空望遠(yuǎn)鏡來說也是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，即使微小的熱量也可能使望遠(yuǎn)鏡的電波探測(cè)受到干擾。因此，遮陽(yáng)板是太空望遠(yuǎn)鏡至關(guān)重要的組件。科研人員為新式太空望遠(yuǎn)鏡制造的遮陽(yáng)板多達(dá)5層，由高性能絕緣材料制成。

新式太空望遠(yuǎn)鏡的“撒手锏”是科研人員為它開發(fā)的新裝備——靈敏度極高的紅外線探測(cè)器。它對(duì)電波非常敏感，能探測(cè)太空中極為微弱的紅外線。另外，它的分辨率比以往的太空望遠(yuǎn)鏡高。其探測(cè)器把光子轉(zhuǎn)換成電子后，可生成高分辨率電子圖像，傳送給地面控制中心?？茖W(xué)家可以利用大型電子計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制太空望遠(yuǎn)鏡，盯住想要觀測(cè)的星體。在電腦指令的控制下，太空望遠(yuǎn)鏡能同時(shí)觀測(cè)多達(dá)上百個(gè)星系。

理論上說，衛(wèi)星上的太空望遠(yuǎn)鏡能找到上百億個(gè)天體。在目前各國(guó)運(yùn)行的太空望遠(yuǎn)鏡中，基礎(chǔ)型號(hào)能夠同時(shí)觀測(cè)1000個(gè)天體，而先進(jìn)型號(hào)能夠同時(shí)觀測(cè)多達(dá)4000個(gè)天體。這些太空望遠(yuǎn)鏡可以幫助科研人員探索更多的星系和星體。

射電望遠(yuǎn)鏡的工作原理是把輻射在反射鏡上的電波精確匯集到一點(diǎn)。望遠(yuǎn)鏡的反射鏡越大，收集到的電波就越多。因此，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑直接關(guān)系到其探測(cè)能力。試想，在雨天把一個(gè)大漏斗和一個(gè)小漏斗同時(shí)放在室外，哪個(gè)能收集到更多的雨水呢？

太空望遠(yuǎn)鏡由衛(wèi)星搭載，在太空軌道上運(yùn)行，其體積和質(zhì)量都受到限制，自然難以配備大口徑反射鏡。因此，大型射電望遠(yuǎn)鏡只能部署在地面上。

以中國(guó)FAST為例，其優(yōu)勢(shì)是太空望遠(yuǎn)鏡無法相比的：首先是其接收面積大，數(shù)千塊反射板組成的鏡面，面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng);其次是它采用高度智能化設(shè)計(jì)，由AI系統(tǒng)進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)高精度定位觀測(cè)。

位于貴州的中國(guó)FAST

南極：望遠(yuǎn)鏡最佳部署位置

據(jù)美國(guó)《華盛頓郵報(bào)》報(bào)道，一些國(guó)家計(jì)劃在南極制高點(diǎn)——冰穹A地區(qū)部署天文望遠(yuǎn)鏡，利用得天獨(dú)厚的環(huán)境條件進(jìn)行太空觀測(cè)。

南極冰穹A地區(qū)堪稱全球最佳天文觀測(cè)點(diǎn)。第一，那里的可觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)。其每年有135天是黑夜，且晴空時(shí)間多達(dá)90%以上，不僅可實(shí)現(xiàn)連續(xù)觀測(cè)，還有利于觀測(cè)到系外行星。第二，那里的大氣環(huán)境可與太空媲美。冰穹A地區(qū)上空大氣稀薄，晴冷、干燥、塵埃少，可使望遠(yuǎn)鏡發(fā)揮出最大的效力。第三，那里的大氣幾乎不流動(dòng)，風(fēng)速小，平均風(fēng)速低于2米/秒，從來沒有4米/秒以上的風(fēng)，最適合用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。第四，那里雖然是南極海拔較高的地區(qū)，但屬于高原，而非山地，其地勢(shì)平坦，高低起伏兩三米，適合部署大型望遠(yuǎn)鏡。第五，那里是全球天空視角最大的地點(diǎn)，可以極大地提高觀測(cè)效率。

據(jù)美國(guó)《太空》雜志報(bào)道，各國(guó)在南極冰穹A地區(qū)聯(lián)合設(shè)置天文觀測(cè)站，是一個(gè)可行的計(jì)劃。人類目前開發(fā)的太空探測(cè)器，雖然能夠直接接觸一些星體，例如月球和火星，取得重要的探測(cè)成果，但這類探測(cè)器成本高昂，操控難度極大。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人類還要依靠望遠(yuǎn)鏡來探測(cè)廣闊的宇宙。它們是探索遙遠(yuǎn)的星體和地外文明的基礎(chǔ)設(shè)備。

編輯：姚志剛 winter-yao@163.com