用“天眼”探秘宇宙 人類(lèi)能找到外星文明嗎

錢(qián)磊

世界最大射電望遠(yuǎn)鏡FAST于2016年投入使用，雖然我國(guó)的天文技術(shù)發(fā)展起步較晚，但進(jìn)步很快， 它能讓科學(xué)家有哪些新發(fā)現(xiàn)呢？

FAST，也叫作天眼，全稱(chēng)是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。所謂射電，就是來(lái)自宇宙的無(wú)線(xiàn)電。如果無(wú)法理解什么是射電望遠(yuǎn)鏡，就把射電望遠(yuǎn)鏡理解為大號(hào)的電視天線(xiàn)就可以。只不過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡有可能接收到“外星文明”的電視信號(hào)。

它坐落于我國(guó)貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村，全稱(chēng)是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。

為什么要把FAST建在一個(gè)偏遠(yuǎn)的地方呢？有幾個(gè)原因，首先，偏遠(yuǎn)的地方人類(lèi)活動(dòng)少，對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的干擾少。在望遠(yuǎn)鏡選址的時(shí)候，F(xiàn)AST周?chē)碾姶鸥蓴_確實(shí)少。不過(guò)考慮到FAST周邊城鎮(zhèn)的高速發(fā)展，現(xiàn)在FAST的電磁環(huán)境保護(hù)也面臨比較大的壓力。其次，把FAST建在這個(gè)地方的另一個(gè)原因就是這里的喀斯特地形。如果到過(guò)貴州省的這一片地區(qū)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這里有很多洼地，而且很多都接近一個(gè)球冠，如果把一個(gè)球面望遠(yuǎn)鏡放到這些洼地里，形狀差不多剛剛好，不用挖太多的土石方，這對(duì)一個(gè)工程來(lái)說(shuō)非常重要。第三，如果大家到過(guò)這個(gè)地區(qū)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，雖然這里雨水很多，但是地面上幾乎沒(méi)有河和湖，水都在地下河里，基本上下多大的雨，洼地里也不會(huì)積水，這對(duì)于望遠(yuǎn)鏡的安全運(yùn)行非常重要。

把一個(gè)500米口徑的球面反射面放到一個(gè)喀斯特洼地里是不是就可以了？不是，如果要實(shí)現(xiàn)聚焦，我們必須想一些辦法。美國(guó)的Arecibo望遠(yuǎn)鏡也坐落在喀斯特洼地里，也是球面，實(shí)現(xiàn)了聚焦，但是通過(guò)復(fù)雜的光路實(shí)現(xiàn)的。這帶來(lái)的問(wèn)題是支撐饋源艙的平臺(tái)很大、很重。放大到FAST這樣的尺度，這個(gè)平臺(tái)的重量會(huì)達(dá)到一萬(wàn)噸，這是不太現(xiàn)實(shí)的。所以FAST的聚焦需要拋物面。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，F(xiàn)AST的反射面必須主動(dòng)變形。

一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡能觀測(cè)什么取決于和觀測(cè)有關(guān)的一些因素。其中包括但不限于靈敏度、空間分辨率、時(shí)間分辨率、頻率分辨率、帶寬、積分時(shí)間、地理位置、天頂角、人力及思想。拋開(kāi)積分時(shí)間、帶寬等因素，評(píng)價(jià)一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的本征靈敏度可以用有效接收面積除以系統(tǒng)溫度。所以要想本征靈敏度高，有效接收面積要大，系統(tǒng)溫度要低。

其實(shí)，科學(xué)家們一度對(duì)FAST的這個(gè)指標(biāo)沒(méi)有信心，覺(jué)得大概達(dá)到1600平方米每開(kāi)爾文都很困難。但現(xiàn)在看來(lái)2000平方米每開(kāi)爾文是可以達(dá)到的。有效接收面積當(dāng)然不能增大，主要是系統(tǒng)溫度降低了，近年來(lái)，世界上的接收機(jī)技術(shù)進(jìn)步了。FAST在1.4 GHz的波束寬度是2.9角分，滿(mǎn)月的寬度是30角分，人眼的分辨率大約是0.3角分。所以從看清楚的角度來(lái)說(shuō)，F(xiàn)AST不如人眼，不過(guò)已經(jīng)很不錯(cuò)了，很多射電望遠(yuǎn)鏡看月亮都只是一個(gè)點(diǎn)。望遠(yuǎn)鏡能觀測(cè)什么，自身因素固然重要，但如果人不能把望遠(yuǎn)鏡用好，那望遠(yuǎn)鏡能做的事也很有限。

為了回答FAST能看點(diǎn)啥？我們先來(lái)看看歷史上，射電望遠(yuǎn)鏡都看了點(diǎn)啥?？偨Y(jié)起來(lái)即為，脈沖星、中性氫、分子譜線(xiàn)。這也正是FAST三個(gè)重要的科學(xué)目標(biāo)。

雖然根據(jù)歷史經(jīng)驗(yàn)，重要的發(fā)現(xiàn)通常是未知的未知，但是我們能做的還是從已知的未知開(kāi)始。我們知道FAST能觀測(cè)的科學(xué)目標(biāo)有銀河系內(nèi)的中性氫、銀河系外其他星系中的中性氫、脈沖星、分子譜線(xiàn)、快速射電暴、外星文明以及未知的未知。

現(xiàn)在已經(jīng)有對(duì)銀河系及附近中性氫分布的成圖。

FAST可以對(duì)部分天區(qū)進(jìn)行更細(xì)致的觀測(cè)，幫助我們看得更清楚，看到更多結(jié)構(gòu)。河外星系中的中性氫可以示蹤一些可見(jiàn)光看不見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，比如潮汐作用造成的“尾巴”。中性氫還可以看到可見(jiàn)光看不到的星系間的相互作用。

銀河系和河外星系里還有一些別的譜線(xiàn)，比如河外星系中的脈澤，也就是微波波段的激光。激光的特點(diǎn)是什么？在這里，最有用的特點(diǎn)就是亮和單色性好。亮，使得我們可以測(cè)量距離很遠(yuǎn)的源。單色性好，使得我們可以精確測(cè)量星系的紅移。

脈沖星是一種發(fā)出周期性脈沖的天體，這種周期性是由于轉(zhuǎn)動(dòng)造成的，類(lèi)似于燈塔。大部分脈沖星發(fā)出射電脈沖，可以用FAST觀測(cè)。脈沖星是一部分中子星，很多中子星不發(fā)出脈沖，或者輻射束不掃過(guò)地球，不產(chǎn)生脈沖。脈沖星個(gè)頭不大，半徑10千米，大概是一座城市的大小，不過(guò)脈沖星質(zhì)量不小，質(zhì)量和太陽(yáng)相當(dāng)。

中子星是大質(zhì)量恒星塌縮形成的，就是把恒星物質(zhì)壓縮到一個(gè)小體積中。微觀上看，就是把原子核和原子核擠到一起，把原子里的空間都填滿(mǎn)?，F(xiàn)在FAST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了50多顆脈沖星了?；蛟S未來(lái)我們能確定快速射電暴的來(lái)源，也或許能發(fā)現(xiàn)脈沖星和黑洞組成的雙星系統(tǒng)，這些都算是已知的未知。

而那些未知的未知可能用時(shí)域——頻域聯(lián)合分析才能發(fā)現(xiàn)。信號(hào)就是沙子里面的金子，自然的信號(hào)通常是簡(jiǎn)單優(yōu)雅的，各種調(diào)制信號(hào)通常是人為造成的。不知道外星文明是不是也像我們一樣對(duì)信號(hào)進(jìn)行各種調(diào)制，大概率是的。所以外星文明搜尋將面對(duì)人工調(diào)制+星際介質(zhì)調(diào)制的信號(hào)，這是未來(lái)要解決的問(wèn)題。

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