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        望向宇宙深處的“天眼”

        2021-09-14 09:30:03李偉
        檢察風云 2021年13期
        關鍵詞:星體脈沖星電波

        李偉

        美國阿雷西博望遠鏡發(fā)生事故

        美國宇航員和哈勃望遠鏡

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

        那么,射電望遠鏡具有哪些功能?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渠道

        據(jù)美國《大眾科學》雜志報道,射電望遠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、放大電波信號的高靈敏度接收機,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天體的電波,測量電波的強度、頻譜等。它能發(fā)現(xiàn)高能量天體和高能輻射現(xiàn)象,定向觀測黑洞、中子星等,還能探測到光學望遠鏡看不到的許多星體。

        20世紀60年代,國際天文學界獲得了4項非常重要的發(fā)現(xiàn):脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子。這4項發(fā)現(xiàn)都借助了射電望遠鏡。

        射電望遠鏡的一個重要用途是探索太空,搜尋地外文明。哪個國家先接觸地外文明,哪個國家就可能先接觸外星的先進技術,并對這些技術實施“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進行交流和聯(lián)絡。射電望遠鏡有望探測到微弱的外星電波信號,可能成為地球文明與地外文明溝通聯(lián)系的首個渠道。

        為星際旅行尋找參照點

        據(jù)日本《大人之科學》雜志報道,發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星,是射電望遠鏡的一個重要功能。2016年9月,中國FAST開啟試運行,僅用兩年時間就發(fā)現(xiàn)了59顆脈沖星。人類發(fā)現(xiàn)脈沖星的難度很大,需要極為先進的觀測技術。射電望遠鏡能夠在短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星,足見其觀測能力之強。

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

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

        報道形象地把原始宇宙描述成一個雞蛋,它在微波爐里被加熱,在瞬間炸裂,物質噴射的速度極快,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到光速。在宇宙大爆炸初期,距離地球非常遙遠的爆炸中心產(chǎn)生的輻射,要經(jīng)過一定的時間才能傳到地球。輻射產(chǎn)生的地點離地球越遠,強度就越小。這就好比遠處的喇叭聲聽上去不及塞在耳朵里的耳機聲。宇宙微波背景輻射到達地球的時間,會隨著距離的延長而增加。

        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140億年才能到達地球。宇宙誕生至今有146億年。也就是說,射電望遠鏡探測到的這一輻射,是宇宙誕生6億年的時候產(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《太空》雜志報道,人類用于探測宇宙的望遠鏡,按其部署位置可以分為太空望遠鏡(由衛(wèi)星搭載在太空軌道上運行)和地面大型望遠鏡。兩者都發(fā)揮著非常重要的作用。

        對于太空中的科研設備來說,最大的考驗莫過于極端溫度。據(jù)美國航空航天局(NASA)專家介紹,太空望遠鏡在軌道上運行時,有時要經(jīng)受零下243攝氏度的極低溫度的考驗。美國的哈勃望遠鏡雖然性能出色,但其因低溫導致的故障令科學家頭疼,NASA不得不耗費巨資進行維修。

        為了讓太空望遠鏡能在如此“冷酷”的條件下安然無恙地完成任務,科學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。

        太陽和地球散發(fā)出的熱量對于太空望遠鏡來說也是嚴峻的挑戰(zhàn),即使微小的熱量也可能使望遠鏡的電波探測受到干擾。因此,遮陽板是太空望遠鏡至關重要的組件??蒲腥藛T為新式太空望遠鏡制造的遮陽板多達5層,由高性能絕緣材料制成。

        新式太空望遠鏡的“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器。它對電波非常敏感,能探測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鏡高。其探測器把光子轉換成電子后,可生成高分辨率電子圖像,傳送給地面控制中心??茖W家可以利用大型電子計算機遠程控制太空望遠鏡,盯住想要觀測的星體。在電腦指令的控制下,太空望遠鏡能同時觀測多達上百個星系。

        理論上說,衛(wèi)星上的太空望遠鏡能找到上百億個天體。在目前各國運行的太空望遠鏡中,基礎型號能夠同時觀測1000個天體,而先進型號能夠同時觀測多達4000個天體。這些太空望遠鏡可以幫助科研人員探索更多的星系和星體。

        射電望遠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。望遠鏡的反射鏡越大,收集到的電波就越多。因此,射電望遠鏡的口徑直接關系到其探測能力。試想,在雨天把一個大漏斗和一個小漏斗同時放在室外,哪個能收集到更多的雨水呢?

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

        以中國FAST為例,其優(yōu)勢是太空望遠鏡無法相比的:首先是其接收面積大,數(shù)千塊反射板組成的鏡面,面積相當于30個足球場;其次是它采用高度智能化設計,由AI系統(tǒng)進行控制,可實現(xiàn)高精度定位觀測。

        位于貴州的中國FAST

        南極:望遠鏡最佳部署位置

        據(jù)美國《華盛頓郵報》報道,一些國家計劃在南極制高點——冰穹A地區(qū)部署天文望遠鏡,利用得天獨厚的環(huán)境條件進行太空觀測。

        南極冰穹A地區(qū)堪稱全球最佳天文觀測點。第一,那里的可觀測時間長。其每年有135天是黑夜,且晴空時間多達90%以上,不僅可實現(xiàn)連續(xù)觀測,還有利于觀測到系外行星。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,可使望遠鏡發(fā)揮出最大的效力。第三,那里的大氣幾乎不流動,風速小,平均風速低于2米/秒,從來沒有4米/秒以上的風,最適合用望遠鏡進行觀測。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,其地勢平坦,高低起伏兩三米,適合部署大型望遠鏡。第五,那里是全球天空視角最大的地點,可以極大地提高觀測效率。

        據(jù)美國《太空》雜志報道,各國在南極冰穹A地區(qū)聯(lián)合設置天文觀測站,是一個可行的計劃。人類目前開發(fā)的太空探測器,雖然能夠直接接觸一些星體,例如月球和火星,取得重要的探測成果,但這類探測器成本高昂,操控難度極大。在很長一段時間內(nèi),人類還要依靠望遠鏡來探測廣闊的宇宙。它們是探索遙遠的星體和地外文明的基礎設備。

        編輯:姚志剛 winter-yao@163.com

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