“中国天眼”带你探索宇宙奥秘——浅谈射电望远镜
位于贵州的世界单体口径最大射电望远镜——中国天眼（FAST）
诺贝尔物理学奖得主美国天体物理学家亚当·里斯曾说过：“每一个人都曾在童年仰望星空，觉得天外的世界如此绚烂，我也是一样的。我对宇宙的好奇，就像海滩上的一粒沙子想要了解大海，了解彼岸那个更大的世界。”人们对宇宙的好奇仿佛与生俱来，正是在这份好奇心的驱使下，无数的科技工作者投身到宇宙观测的研究中，让遥远而神秘的宇宙变得“触目可及”。射电望远镜就是这宇宙观测的一件利器。
1月11日，被誉为“中国天眼”（FAST）的500米口径球面射电望远镜通过国家验收正式开放运行。于是这个庞然大物又一次进入了公众视野，今天我们就来聊一聊射电望远镜和“中国天眼”的话题。
1.射电望远镜的前世今生
说到望远镜，不能不提到伽利略这个名字，1609年，意大利伟大的物理学家伽利略（1564-1642）创制了世界上第一台光学望远镜——伽利略望远镜（敲黑板，测控专业的同学们，此处有考点），并以此先后观测到了月球表面的环形山、木星的卫星、土星的光环、太阳黑子、太阳自转等天文现象，具有划时代的意义。之后，科学家对光学望远镜进行不断的研制和改进，先后诞生了折射式、反射式、折反射式的不同结构的望远镜。其中的翘楚也是被人们最为熟知的就是1990年由美国发射成功的哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope，HST）。
伽利略及伽利略望远镜
伽利略望远镜原理图
不同望远镜光学结构示意图（图片来自百度百科）
哈勃望远镜及其拍摄的壮丽太空
虽然光学望远镜能直观的展现宇宙中遥远的事物或现象，但是众所周知，可见光波作为一种电磁波，其波段范围是十分狭窄的。科学家说，宇宙中96%以上是我们看不见的暗物质和暗能量，不到4%是重子物质，其中只有不到1%是我们能看见的发光的恒星、行星和星云等物质，其余占比更大的，比如黑洞、中子星、白矮星都是我们看不到的。因此单纯的光学望远镜观测宇宙必然存在局限性。
可见光波与电磁波
1931年，美国贝尔实验室的工程师卡尔·央斯基在搜索和鉴别电话干扰信号的时候，发现了来自银河系的射电辐射“干扰”，因此用射电波进行天体研究拉开了序幕。随后1937年，美国人格罗特·雷伯建造出了口径9.5米，波长1.87米的世界第一台用于天文观测的射电望远镜，并于1939年接收到了来自银河系中心的无线电波。在2016年以前，世界上单体口径最大的射电望远镜是位于北美的阿雷西博望远镜，它于1963年建成，单体口径为305米。目前这一记录已经被FAST所打破。
位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜
2. 射电望远镜的工作原理
射电望远镜指观测和研究来自天体的射电波的一种设备，可以用来测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。射电望远镜一般包括收集射电波的定向天线，放大射电信号的高灵敏度接收机，信息记录、处理和显示系统等。并不是所有的射电望远镜都如FAST一样的形式，有一个反射面（俗称锅式），也有一般的天线式或天线阵列式的射电望远镜，如下图。其中经典射电望远镜（锅式）的基本原理与反射式光学望远镜相似，原理是根据投射来的电磁波被一精确镜面反射后汇交于一个公共焦点。根据这一原理用旋转抛物面作镜面能够实现电磁波的聚焦，因此，射电望远镜天线大多是旋转抛物面。与光学望远镜不同的就是光学望远镜是对可见光聚焦成像，而射电望远镜则是对长波电磁波进行汇聚（原理参考前文反射式望远镜结构图）。从天体投射来并汇交于望远镜焦点的射电波，实现约10～1000倍放大，并进行频率变换（一般变换为中频），然后用电缆将其传送至控制室，再进一步放大和检波，最终以一定形式进行记录、处理及显示。
天线阵式射电望远镜
经典射电望远镜结构
认真阅读新闻的同学一定会留意到，在大多数的关于FAST的新闻报道中都会强调一点——FAST是世界单体口径最大的射电望远镜。那么为什么要强调这个口径最大呢？
原来对于天文望远镜来说，它的两个重要指标分别是灵敏度和极限分辨率（再次敲黑板，注意），前者表征的是望远镜对微弱射电点源的探测能力；后者表征的是望远镜区分两个彼此靠近的射电点源的能力。而这两个重要指标都与望远镜的口径息息相关。
对于灵敏度指标，一台望远镜的灵敏度越高说明它探测微弱射电源的能力越强，因此望远镜接收辐射的面积越大，即口径越大，它接收辐射的越多，越容易探测到射电源，灵敏度也就越高。
极限分辨率指标，其描述如下图所示，能区分两个射电点源的距离越近，则分辨率越高。而一个辐射体的细节越小，它辐射的电磁波角度范围就越大。所以一个实际的望远镜系统孔径越大，它能收集的电磁波角度范围也越大，成像的细节还原度就越高，分辨率越高。当然，除了与孔径大小相关，望远镜的极限分辨率也受所接收的电磁波波长影响。波长越长，分辨率则越低。比如FAST的口径是500米，接收射电波主波长为0.3米，与一个口径1米，接收波长为500纳米的光学望远镜相比，其理论分辨能力比是1：1200，也就是说射电望远镜的分辨率远远低于光学望远镜。但是基于上述光学望远镜的缺点，又不得不采用射电望远镜。所以科学家想出了另一个提高分辨率的方法——利用干涉测量原理的综合孔径射电望远镜，这是1962年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的马丁·赖尔提出的。其基本原理是：用相隔两地的两台射电望远镜接收同天体的无线电波，两束波进行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一台口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜。赖尔也因此项发明获得1974年诺贝尔物理学奖。看到这里不知道同学们有没有点似曾相识的感觉。2019年人类首次拍摄到的黑洞照片，利用的就是这一方法。
成像系统极限分辨率
黑洞照片
拍摄黑洞的8台射电望远镜分布图
综上所述，可以利用干涉测量原理提高射电望远镜的有效分辨率，但是其观测灵敏度却不会因此而提高。所以FAST具有世界最大口径也就意味着它具有最高的灵敏度。
3. “中国天眼”FAST知多少
坐落于贵州省平塘县的“中国天眼”落成并启用，是我国在射电天文前沿的重大原创突破。“天眼”工程由我国天文学家于1994年提出构想，从预研到建成历时22年。它的反射面由4450个反射单元构成，总面积为25万平方米，相当于30个标准足球场那么大。它能看见更遥远暗弱的天体，最快1分钟就能发现的星体，即使把坐标提供给百米口径的射电望远镜，后者也要9分钟才能看见。500米的尺度上测量角度精确到8角秒，10毫米的定位精度要求最高做到了3.8毫米。FAST科学潜力已初步显现,目前探测到146颗到证优质的脉冲星候选体，其中102颗已得认证。FAST已实现偏振校准，并利用创新方法探测到银河系星际磁场。
“中国天眼”的研制成功说明我国在该领域的研究是处于世界领先地位的。这不仅值得我们骄傲，更应该激励我们向奋斗在科技攻坚第一线的科学家和工程师们学习，努力学习知识，掌握技能，为探索奇妙的未知世界，也为祖国的科技腾飞贡献一份力量。
作者：刘卿卿
编辑：刘卿卿