耗资高达97亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)即将发射升空,它将用于接替NASA的另一架著名的太空望远镜——哈勃。韦伯有着无与伦比的观测能力,它能穿越时间,回溯到极为早期的宇宙,看到宇宙中刚刚诞生的第一批星系。
然而,不管是以前的哈勃,还是未来的韦伯,它们只能观测到可见光波段附近的电磁波。这些光有着丰富的天体信息,可以让我们看到壮美的宇宙景象。
但宇宙中还有丰富的射电源,它们发出的无线电波无法用哈勃或者韦伯观测,这需要用到专门的射电望远镜。因为望远镜的角分辨率正比于波长/口径,而无线电波的波长远远长于可见光,所以射电望远镜的口径要做到足够大,才有强大的分辨率和灵敏度。
为此,我国耗资7亿元,建造了直径高达500米的射电望远镜——中国天眼(FAST),这在当前全球填充口径射电望远镜中位列第一。由于口径非常大,中国天眼对于宇宙中的无线电波十分敏感。
一经“开眼”,FAST很快就发现了新的脉冲星。此外,FAST还接收到了来自宇宙深处的神秘无线电信号——快速射电暴(FRB),这种信号的强度极高,因为从数十亿光年外传过来还能被探测到。
快速射电暴大都是一次性的,突然出现在在天空中的某个位置,然后又消失,再也不会出现。但通过FAST,天文学家接收到一个罕见的快速射电暴,它在不到两个月的时间内,重复出现了一千多次,距离地球30亿光年。
这不禁引发了大家的猜想。既然是重复的无线电信号,很多人可能会先想到不是自然的宇宙现象,而是由高等外星文明发出的。但也有人反驳这种猜测,只有像人类这样等级不高的文明才会用无线电进行通信,高等外星文明也许早就不用这种低效的方式,改用引力波之类的通信方式。
即便这种信号真的是外星文明发出的,我们现在什么也做不了,根本没有能力回复。数十亿光年的距离太遥远了,信号传播到如此遥远的地方,需要极其巨大的能量,人类目前根本办不到。不管怎样,快速射电暴,尤其是重复出现的信号,它们的起源至今还是一个巨大的未解之谜。
由于结构的限制,想要再造出比FAST大得更多的射电望远镜不是一件容易的事情。天文学家另辟蹊径,结合不同地方的射电望远镜接收到的无线电波,通过光的干涉原理,大幅提高分辨率,这就是射电干涉技术。
基于这样的技术,单台射电望远镜的口径不需要造得非常大,只需要造得足够多,距离隔得远,形成射电望远镜阵列,其理论最佳分辨率取决于两台相隔最远射电望远镜之间的距离。这样就能突破口径限制,获得超过光学望远镜的分辨率。此前,人类直接捕获到的第一张黑洞照片就是通过射电望远镜,而非光学望远镜。
现阶段,正在运行的射电望远镜阵列包括甚大天线阵(VLA)、阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(ALAM)。再过几年,平方公里阵列(SKA)将会成为最强大的射电望远镜阵列。
平方公里阵列主要建在两个地方,一个是南非,这里将会建造2000个单盘抛物面天线;另一个是澳洲,这里将会建造100万个天线。结合如此多的天线,SKA的接收无线电波的面积可达1公里,这使其有能力直接探测到宇宙诞生后产生的第一批恒星和星系。
中国是SKA的主要发起者之一,参与了望远镜的设计和研发,未来也会参与运行。目前,耗资预计高达150亿元的SKA已经正式开始建造,预计在2027年可以全面投入观测。除了研究宇宙的演化,以及在更高精度上测试爱因斯坦的广义相对论,SKA也被寄望于找到外星智慧文明。
虽然以后有了SKA,但FAST的地位仍然是无可替代的。单口径的好处是灵敏度高,信噪比高,可以接收到极其微弱的信号。而综合孔径的优势在于分辨率,可以把观测目标看得更清楚。
未来,我国还要在本土建造5台大型单口径望远镜,尺寸都与FAST一样大。每一台射电望远镜本身就已经有极高的灵敏度,由它们组成的巨型射电望远镜阵列更是会大幅提高灵敏度和分辨率,这足以让我们领先全球多达50年。
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