被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡于3月31日向全世界天文學(xué)家征集觀測(cè)申請(qǐng)。這是“中國(guó)天眼”首次面向全球開放，申請(qǐng)截止時(shí)間為5月15日，評(píng)審結(jié)果將于7月20日公布，觀測(cè)時(shí)間將從8月開始——

視覺中國(guó)供圖

位于貴州省平塘縣大窩凼的“中國(guó)天眼”，簡(jiǎn)稱為FAST，是目前全球最大且最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，綜合性能是其他射電望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，能夠接收到100多億光年以外的電磁信號(hào)，極大拓展了人類對(duì)宇宙的觀測(cè)極限。那么，我們?yōu)楹我ㄔ烊绱酥按蟆钡纳潆娡h(yuǎn)鏡？“中國(guó)天眼”又是如何觀測(cè)星空的？
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科學(xué)家為何執(zhí)著于射電望遠(yuǎn)鏡

當(dāng)前人們探知宇宙天體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，電磁輻射是最為古老也最為主要的探測(cè)手段，望遠(yuǎn)鏡便是我們認(rèn)識(shí)廣袤宇宙的至關(guān)重要的儀器。我們知道，電磁波遠(yuǎn)不限于可見光，然而并非所有波段的電磁波都能到達(dá)地球表面，地球大氣阻擋了來自宇宙空間的大部分電磁輻射，僅可見光和一部分紅外線以及射電波段的電磁輻射能到達(dá)地球表面，光學(xué)和射電這兩個(gè)大氣透明窗口便成為了天文學(xué)觀測(cè)的重要波段。

人們對(duì)于可見光波段的觀測(cè)歷史悠久，17世紀(jì)初，伽利略首次將望遠(yuǎn)鏡伸向星空。20世紀(jì)30年代，無線電工程師偶然發(fā)現(xiàn)了宇宙中的射電信號(hào)，此后，射電天文學(xué)逐漸發(fā)展起來。20世紀(jì)60年代，天文學(xué)觀測(cè)中極為重要的“四大發(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，都與射電望遠(yuǎn)鏡有關(guān)?？梢哉f，射電望遠(yuǎn)鏡在當(dāng)今天文學(xué)的研究中至關(guān)重要。
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為何要建造如此巨大的射電望遠(yuǎn)鏡

天文望遠(yuǎn)鏡最主要的參數(shù)是望遠(yuǎn)鏡的口徑，望遠(yuǎn)鏡的口徑?jīng)Q定了望遠(yuǎn)鏡的極限角分辨率和集光能力。

極限角分辨率說的是儀器能分辨的最小細(xì)節(jié)的能力。點(diǎn)光源經(jīng)過光學(xué)儀器后，由于衍射的影響，所成的像不是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)明暗相間的圓形光斑，即艾里斑。當(dāng)一個(gè)艾里斑的中心與另一個(gè)艾里斑的第一級(jí)暗環(huán)重合時(shí)，剛好能分辨出兩個(gè)像，由此給出光學(xué)儀器的最小分辨角。望遠(yuǎn)鏡的極限角分辨率由瑞利判據(jù)給出，儀器的最小分辨角與儀器口徑成反比，與觀測(cè)波長(zhǎng)成正比，即口徑越大，極限角分辨率越高，對(duì)于相同的角分辨率要求，觀測(cè)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，則對(duì)儀器的口徑要求越大。同時(shí)，由于受到大氣湍流等因素影響，大口徑望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際分辨率常小于其極限分辨率。中國(guó)天眼的觀測(cè)頻段在70MHz—3GHz，為射電波段。射電波段波長(zhǎng)約為光學(xué)波段波長(zhǎng)的上百萬倍，因此我們需要將射電望遠(yuǎn)鏡建造的如此之巨大。

除提高分辨能力外，望遠(yuǎn)鏡的另一個(gè)作用便是增加聚光，即增加我們能接收到的光子總數(shù)，體現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。望遠(yuǎn)鏡聚光的能力稱為望遠(yuǎn)鏡的集光能力。望遠(yuǎn)鏡的集光能力與口徑的平方成正比，與望遠(yuǎn)鏡的焦距無關(guān)。因此，為觀測(cè)宇宙深處的微弱信號(hào)，也要求建造超大口徑的望遠(yuǎn)鏡。當(dāng)然，望遠(yuǎn)鏡的靈敏度還受到諸多因素的影響，包括反射面的材料、組裝設(shè)計(jì)等，同時(shí)為了使得如此巨大的望遠(yuǎn)鏡能實(shí)現(xiàn)跟蹤觀測(cè)等功能，“中國(guó)天眼”團(tuán)隊(duì)在技術(shù)上攻堅(jiān)克難、開拓創(chuàng)新，最終使得中國(guó)天眼的綜合性能是此前被稱為“美國(guó)天眼”的350米口徑的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的10倍。
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超大“天眼”的巨大威力

“中國(guó)天眼”于2016年9月落成啟用，2017年10月首次發(fā)現(xiàn)兩顆新脈沖星，截至目前已發(fā)現(xiàn)脈沖星300余顆。人類首次發(fā)現(xiàn)脈沖星是在1967年，50多年來，人類總共發(fā)現(xiàn)的脈沖星約2700顆。脈沖星在星體坍縮、磁層粒子加速機(jī)制等基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域及星際導(dǎo)航等應(yīng)用研究方面都具有極其重要的意義。搜尋和發(fā)現(xiàn)脈沖星是“中國(guó)天眼”的核心科學(xué)目標(biāo)，包括銀河系內(nèi)脈沖星的探尋，以及對(duì)仙女座大星系（距銀河系最近的河外星系）進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，以期捕獲銀河系外的第一顆脈沖星。

銀河系中大量的脈沖星因其信號(hào)暗弱，目前觀測(cè)到的只是其中很小一部分，而“中國(guó)天眼”的超高靈敏度則是發(fā)現(xiàn)脈沖星的一大利器。“中國(guó)天眼”已發(fā)現(xiàn)的脈沖星，大部分來源于一種叫漂移掃描的觀測(cè)模式。漂移掃描可以被稱為“盲搜”，就像我們夜晚掃視星空一樣。結(jié)合深度學(xué)習(xí)人工智能，天文學(xué)家可以對(duì)海量巡天數(shù)據(jù)進(jìn)行快速搜索。另一種常用觀測(cè)模式叫跟蹤，就像我們盯著一顆星星看。對(duì)仙女座大星系中性氫成像和脈沖星的搜尋，一方面是為了進(jìn)一步揭秘距銀河系最近的代號(hào)M31的這個(gè)河外星系，另一方面天文學(xué)家希望通過跟蹤來捕獲銀河系外的第一顆脈沖星。

“中國(guó)天眼”還以其超高的靈敏度優(yōu)勢(shì)，通過盲搜發(fā)現(xiàn)了來自宇宙深處的快速射電暴新源。該源展現(xiàn)出極為罕見的三峰結(jié)構(gòu)。根據(jù)其高色散量估算，該信號(hào)可能來自距地球約百億光年的宇宙深處?？焖偕潆姳┦且环N持續(xù)僅數(shù)毫秒的未知射電暴發(fā)現(xiàn)象，當(dāng)前人們對(duì)其了解還極其有限，對(duì)于其如何產(chǎn)生、究竟在哪發(fā)生都知之甚少。“中國(guó)天眼”的高靈敏度特性有望捕捉到更多的快速射電暴，探測(cè)到快速射電暴的更多細(xì)節(jié)信息，揭開快速射電暴的來源之謎。

此外，“中國(guó)天眼”承擔(dān)的主要科學(xué)任務(wù)還包括：巡視宇宙中性氫，天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)研究，星際分子探測(cè)及搜索可能的星際通信信號(hào)。可見，為了捕捉到宇宙那一閃即逝的瞬間，我們確實(shí)需要一只這樣巨大的天眼。隨著曾經(jīng)“世界第一”的美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡在去年發(fā)生坍塌，“中國(guó)天眼”已經(jīng)成為全球唯一的超大型射電望遠(yuǎn)鏡，“中國(guó)天眼”面向全球科學(xué)界開放申請(qǐng)，向世界表明了中國(guó)開放包容的大國(guó)姿態(tài)，在探索未知宇宙的道路上，只有充分匯集各方智慧，精誠(chéng)合作，取長(zhǎng)補(bǔ)短，才能讓這只巨大的天眼發(fā)揮出更加強(qiáng)大的威力。

來源：科普時(shí)報(bào)，原標(biāo)題《“中國(guó)天眼”向全世界邀約：一起觀宇宙》


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