被譽為(wei) “中國天眼”的500米口徑球麵射電望遠鏡於(yu) 3月31日向全世界天文學家征集觀測申請。這是“中國天眼”首次麵向全球開放，申請截止時間為(wei) 5月15日，評審結果將於(yu) 7月20日公布，觀測時間將從(cong) 8月開始——

視覺中國供圖

位於(yu) 貴州省平塘縣大窩氹的“中國天眼”，簡稱為(wei) FAST，是目前全球最大且最靈敏的單口徑射電望遠鏡，綜合性能是其他射電望遠鏡的10倍以上，能夠接收到100多億(yi) 光年以外的電磁信號，極大拓展了人類對宇宙的觀測極限。那麽(me) ，我們(men) 為(wei) 何要建造如此之“大”的射電望遠鏡？“中國天眼”又是如何觀測星空的？
 

科學家為(wei) 何執著於(yu) 射電望遠鏡

當前人們(men) 探知宇宙天體(ti) 信息的渠道主要有四種：電磁輻射、宇宙線、中微子和引力波。其中，電磁輻射是最為(wei) 古老也最為(wei) 主要的探測手段，望遠鏡便是我們(men) 認識廣袤宇宙的至關(guan) 重要的儀(yi) 器。我們(men) 知道，電磁波遠不限於(yu) 可見光，然而並非所有波段的電磁波都能到達地球表麵，地球大氣阻擋了來自宇宙空間的大部分電磁輻射，僅(jin) 可見光和一部分紅外線以及射電波段的電磁輻射能到達地球表麵，光學和射電這兩(liang) 個(ge) 大氣透明窗口便成為(wei) 了天文學觀測的重要波段。

人們(men) 對於(yu) 可見光波段的觀測曆史悠久，17世紀初，伽利略首次將望遠鏡伸向星空。20世紀30年代，無線電工程師偶然發現了宇宙中的射電信號，此後，射電天文學逐漸發展起來。20世紀60年代，天文學觀測中極為(wei) 重要的“四大發現”：脈衝(chong) 星、類星體(ti) 、宇宙微波背景輻射和星際有機分子，都與(yu) 射電望遠鏡有關(guan) 。可以說，射電望遠鏡在當今天文學的研究中至關(guan) 重要。
 

為(wei) 何要建造如此巨大的射電望遠鏡

天文望遠鏡最主要的參數是望遠鏡的口徑，望遠鏡的口徑決(jue) 定了望遠鏡的極限角分辨率和集光能力。

極限角分辨率說的是儀(yi) 器能分辨的最小細節的能力。點光源經過光學儀(yi) 器後，由於(yu) 衍射的影響，所成的像不是一個(ge) 點，而是一個(ge) 明暗相間的圓形光斑，即艾裏斑。當一個(ge) 艾裏斑的中心與(yu) 另一個(ge) 艾裏斑的第一級暗環重合時，剛好能分辨出兩(liang) 個(ge) 像，由此給出光學儀(yi) 器的最小分辨角。望遠鏡的極限角分辨率由瑞利判據給出，儀(yi) 器的最小分辨角與(yu) 儀(yi) 器口徑成反比，與(yu) 觀測波長成正比，即口徑越大，極限角分辨率越高，對於(yu) 相同的角分辨率要求，觀測波長越長，則對儀(yi) 器的口徑要求越大。同時，由於(yu) 受到大氣湍流等因素影響，大口徑望遠鏡的實際分辨率常小於(yu) 其極限分辨率。中國天眼的觀測頻段在70MHz—3GHz，為(wei) 射電波段。射電波段波長約為(wei) 光學波段波長的上百萬(wan) 倍，因此我們(men) 需要將射電望遠鏡建造的如此之巨大。

除提高分辨能力外，望遠鏡的另一個(ge) 作用便是增加聚光，即增加我們(men) 能接收到的光子總數，體(ti) 現了望遠鏡的靈敏度。望遠鏡聚光的能力稱為(wei) 望遠鏡的集光能力。望遠鏡的集光能力與(yu) 口徑的平方成正比，與(yu) 望遠鏡的焦距無關(guan) 。因此，為(wei) 觀測宇宙深處的微弱信號，也要求建造超大口徑的望遠鏡。當然，望遠鏡的靈敏度還受到諸多因素的影響，包括反射麵的材料、組裝設計等，同時為(wei) 了使得如此巨大的望遠鏡能實現跟蹤觀測等功能，“中國天眼”團隊在技術上攻堅克難、開拓創新，最終使得中國天眼的綜合性能是此前被稱為(wei) “美國天眼”的350米口徑的阿雷西博射電望遠鏡的10倍。
 

超大“天眼”的巨大威力

“中國天眼”於(yu) 2016年9月落成啟用，2017年10月首次發現兩(liang) 顆新脈衝(chong) 星，截至目前已發現脈衝(chong) 星300餘(yu) 顆。人類首次發現脈衝(chong) 星是在1967年，50多年來，人類總共發現的脈衝(chong) 星約2700顆。脈衝(chong) 星在星體(ti) 坍縮、磁層粒子加速機製等基礎科學研究領域及星際導航等應用研究方麵都具有極其重要的意義(yi) 。搜尋和發現脈衝(chong) 星是“中國天眼”的核心科學目標，包括銀河係內(nei) 脈衝(chong) 星的探尋，以及對仙女座大星係（距銀河係最近的河外星係）進行跟蹤觀測，以期捕獲銀河係外的第一顆脈衝(chong) 星。

銀河係中大量的脈衝(chong) 星因其信號暗弱，目前觀測到的隻是其中很小一部分，而“中國天眼”的超高靈敏度則是發現脈衝(chong) 星的一大利器。“中國天眼”已發現的脈衝(chong) 星，大部分來源於(yu) 一種叫漂移掃描的觀測模式。漂移掃描可以被稱為(wei) “盲搜”，就像我們(men) 夜晚掃視星空一樣。結合深度學習(xi) 人工智能，天文學家可以對海量巡天數據進行快速搜索。另一種常用觀測模式叫跟蹤，就像我們(men) 盯著一顆星星看。對仙女座大星係中性氫成像和脈衝(chong) 星的搜尋，一方麵是為(wei) 了進一步揭秘距銀河係最近的代號M31的這個(ge) 河外星係，另一方麵天文學家希望通過跟蹤來捕獲銀河係外的第一顆脈衝(chong) 星。

“中國天眼”還以其超高的靈敏度優(you) 勢，通過盲搜發現了來自宇宙深處的快速射電暴新源。該源展現出極為(wei) 罕見的三峰結構。根據其高色散量估算，該信號可能來自距地球約百億(yi) 光年的宇宙深處。快速射電暴是一種持續僅(jin) 數毫秒的未知射電暴發現象，當前人們(men) 對其了解還極其有限，對於(yu) 其如何產(chan) 生、究竟在哪發生都知之甚少。“中國天眼”的高靈敏度特性有望捕捉到更多的快速射電暴，探測到快速射電暴的更多細節信息，揭開快速射電暴的來源之謎。

此外，“中國天眼”承擔的主要科學任務還包括：巡視宇宙中性氫，天體(ti) 超精細結構研究，星際分子探測及搜索可能的星際通信信號。可見，為(wei) 了捕捉到宇宙那一閃即逝的瞬間，我們(men) 確實需要一隻這樣巨大的天眼。隨著曾經“世界第一”的美國阿雷西博望遠鏡在去年發生坍塌，“中國天眼”已經成為(wei) 全球唯一的超大型射電望遠鏡，“中國天眼”麵向全球科學界開放申請，向世界表明了中國開放包容的大國姿態，在探索未知宇宙的道路上，隻有充分匯集各方智慧，精誠合作，取長補短，才能讓這隻巨大的天眼發揮出更加強大的威力。

來源：科普時報，原標題《“中國天眼”向全世界邀約：一起觀宇宙》


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