中国的天眼能用来干什么，它到底强在哪？

　　上期咱们说了美国的詹姆斯韦伯太空望远镜，这也是世界上最先进的望远镜之一，但是肯定有人会问了，咱们国家不是前两年刚刚建成了一个全球最大的单口径，500米球面射电望远镜FAST么，那这两个望远镜到底谁厉害呢？那今天咱们就来聊聊，什么是射电望远镜，他有什么特点，还有就是解答很多人的疑问，咱们的天眼和美国的詹姆斯韦伯这两个到底谁先进。
　　老规矩，要聊咱们还得从根儿上聊。咱么就先聊聊什么是射电望远镜，它真的能把电射出去么？其实，射电望远镜的发明是一个既必然也偶然的事件，在人类科技的发展过程中，它迟早会被人类发明，只不过，这个发明的过程是在贝尔实验室中一次偶然的实验中发现的。贝尔实验室不知道大家熟不熟悉，我觉得非常有必要在这里杂说两句，这个实验室为人类贡献了超过2万5千多项专利，最重要地说，它发明了晶体管、激光器、太阳能电池、发光二极管、数字交换机、通信卫星、电子数字计算机、C语言、UNIX操作系统、蜂窝移动通信设备、无线电视信号传送、有声电影、立体声录音，以及通信网等许多重大发明，平均每天有三个发明获得专利。
　　而在这个实验室中，有一位名叫卡尔·吉德·央斯基的美国电气工程师。他设计了一个可以向任何方向旋转的天线，用来记录来自四面八方的电磁信号来研究电磁环境对通讯的干扰，通过几个月的记录，他将这个天线接收到的噪声分成了3个类型，分别是附近的雷雨、远方的雷雨、来一个来源不明的噪音。央斯基就针对这个来源不明的噪音进行了研究，整整一年的时间，通过对这个噪声往复的周期断定，这个噪声并不是来自地球自身，而是来自银河系。并且还根据这个现象发表了一篇名为《明显的外太空电子干扰源头》的论文。同时，他还向贝尔实验室提出了申请，想单独建造一个蝶形天线。也就是咱们俗称的雷达。但贝尔实验室却因为检测这个辐射源没有用而驳回了他的请求，央斯基也只好作罢。从此这项研究一搁置就是40多年，直到上世纪70年代，人们才重新发现这项研究的重要性，人们为了纪念央斯基，将他的名字作为天体射电流量的密度单位。并简写做Jy。
　　由此您也可以判断了，其实这个射电望远镜，按照功能来说，应该叫收电望远镜可能更贴切一点，而之所以叫做射电，其实讲的是从太空投射到地球的电磁波。通过这个射进来的电磁波来分析宇宙。是这么个道理。这种射电望远镜和咱们上期讲到的詹姆斯韦伯望远镜到底有什么不一样呢？
　　上期咱们说了，这个詹姆斯韦伯牛顿反射式红外望远镜其实和哈勃望远镜的原理差不多，都是光学形式的。而光学和宇宙射电都属于电磁波的范畴，那简单来说，两者的区别就在于波长，一般可见光的波长大约在几百纳米，也就是400-760纳米之间，詹姆斯韦伯主要集中于0.6-28.3微米，而fast的波长覆盖则在4.3m-10cm之间。很明显能看出他们处在不同的波段，所以他们所对应的观测对象也是不一样的。
　　之前咱们说了，宇宙的天体和背景普遍存在射电辐射，但有些源，在光学波段辐射可能非常的暗弱，所以用射电望远镜观测宇宙中的射电辐射可以说是大有作为。那接下来我就跟大家说说，射电望远镜能用来观测什么？
　　最著名的，就要数脉冲星了。脉冲星是上世纪60年代天文四大发现之一，当时这个四大发现除了脉冲星之外，还有咱们之前提到的微波背景辐射、类星体和星际有机分子。
　　而这个脉冲星，其实是一个重量极大的星体，一般它是由几倍于太阳大小的恒星爆炸后残留的物质，坍缩后形成的一个只有乒乓球大小的重量极大的物体，这种重量可达几十亿吨。乒乓球大小却重几十亿顿啊。可想而知，密度得大成什么样子。并且它还会飞速地旋转，咱们都知道地球自转一周需要24小时，而脉冲星只要0.0014秒。而且它还会在旋转过程中会不断地发出电磁脉冲信号。所以得名脉冲星。因为脉冲星是在恒星坍缩后出现的，所以通过对他的研究可以解释宇宙的诞生和演变。而且由于脉冲星会非常精确地发出脉冲信号，他也是宇宙中用来指路的灯塔。用作深空导航。
　　而且脉冲星有很多的品种，除了普通形式的脉冲星外，还有很多非常罕见的比如暗弱脉冲星、毫秒脉冲星、脉冲双星、双脉冲星系统、脉冲星行星系统、还有毫秒脉冲星等等，咱们的fast由于具有高灵敏度和大天区覆盖的特点，更有利于咱们发现这些罕见的品种、能帮助咱们更清晰的揭示脉冲星发出脉冲辐射的成因。
　　除了研究脉冲星之外，咱们还可以用天眼来研究星际有机分子，这种分子最早是在1952进行的一个米勒模拟实验中发现的，当时他们利用氢、氨气、甲烷和水，模拟了原始地球的大气，并用电击注入能量，来模拟原始的闪电，用来论证生命的起源的化学进程实验。也就是看能不能合成有机物，特别是氨基酸、核糖、嘧啶[mì dìng]、嘌呤等这些组成蛋白质和核酸的生物小分子。实验结果证明了原始大气在高温、紫外线及雷电等自然条件的长期作用下，形成了许多简单的有机物，这是一个化学过程，这说明在原始地球条件下，从无机物到有机物是完全可能的。并且还生成了20种有机物。实验看似成功，但是很多条件其实都是实验室状态，比如放电时间，和物质的混合比例等等，所以并不能真正模拟原始地球的状态。但是这个实验却验证了这种情况的可能性。
　　不过在射电天文学看来，这种可能孕育生命的自然过程并没有那么复杂，也许它本来就孕育在了星际气体和星际尘埃里，甚至是很多固态天体中。并且随着毫米波天文学的发展，人们可以在星际介质中发现这种化学反应的分子谱线。慢慢的，星际有机分子也成为了天文学的分支之一，星际化学的基础，而且它还是天体演化。生命起源和物质结构研究的一个交叉点。通过对它的研究，我们能更进一步地研究宇宙早期的演化。
　　除了这两个大的功能外，还有一项功能，引起了世界最强大脑 斯蒂芬·威廉·霍金的注意，在他生前，他曾经警告过咱们，说如果接收到了地外信号，千万不要回答，这一幕听着和三体第一部红岸基地内发生的一幕非常的像。虽然这个警告我并没有查到确切的出处，不好判断霍金是否说过这个话，但是由此也可以看到，咱们天眼的侦测能力有多强。您可别忘了，这可就是一个大雷达啊。理论上，如果你在相隔40万公里的月球上打个电话，这种微弱的电磁活动信号，都是能被他侦搜到。再加上咱们的天眼可调角度也大，所以他能把咱们国家的深空测控和通讯能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘的恒星。能让我们的深空数据下行速度提高100-1000倍，对咱们的载人航天、探月和深空探测计划有极大的帮助。还有为卫星定位。观测太阳风暴。等等很多功能，这下，那些整天鼓吹FAST无用论的人就该闭嘴了吧、还有，悄悄的说一句，这么一个超级灵敏雷达坐在大山里，他在国家安全方面的价值就不言而喻了吧。这也是为什么美国人表面上酸咱们的FSAT，但实际上却很担心。
　　不过他们曾经也有一个单体大口径的射电望远镜，叫做阿雷西博，不仅曾经是美国的骄傲，更是世界之最，还登上过007电影，并且技术指标也曾长期领先于世界。但在2020年，却意外的在台风中倒塌了，所以当很多人鼓吹FAST 无用论的时候，他们就曾用那美国的阿雷西博做过比较，说你看人家那个都塌了，人家都懒得修了，咱们还在盖，这是浪费钱等等歪曲的论调。那接下来我就跟大家说说这个美国的阿雷西博和咱们的天眼有什么区别。
　　阿雷西博诞生于冷战期间，美苏太空的白热化阶段，由于当时在太空的航天器需要强劲的雷达来与地面保持联络，而这种大功率灵敏的雷达，又和军事需要相契合，所以，美国就选在了在波多黎各建造射电望远镜，那您可能问了，为什么不在美国的本土建造呢。这就又牵扯出一个问题，那就是电磁干扰，咱们都知道，在城市中，别说在咱们城市中，就是在咱们的家中，您琢磨琢磨就得有多少的电磁辐射源把。况且这种射电望远镜的灵敏度是极高的，所以如果它建造在了城市附近，如果一开机，基本就是失聪的状态，因为周边的电磁辐射源实在是太多了，根本没法从嘈杂的噪音中分辨有用的信息。所以，这种望远镜的建造地点一般都会选在远离城市的喀斯特地貌修建，那我在杂说两句这个喀斯特地貌的来历把，它是由地下水与地表水对可溶性岩石冲刷，侵蚀与沉积，崩塌、堆积等作用形成的地貌，他的特点就是，有密集的高落差的小型山峰，山峰中间还有很低的山谷和洼地，最早是以斯洛文尼亚的喀斯特高原命名的，而到了中国，咱们则称之为岩溶地貌，从字面就可以很好的理解这种地貌的特点了。作为地质博物馆的中国来说，这种地貌在中国也是相当的丰富，也是中国五大造型地貌之一。我这么一说您就应该明白了，这种地方在美国本土没有啊，美国西边全是大山脉，东边全是大平原，并且城市多，干扰多。所以美国就选在波多黎各建造，不仅因为那里有适应的地理环境，还因为那里比较穷，导致了电磁环境相对较好。
　　而咱们中国也是选择在了贵州的大山里，一个相当大的喀斯特洼地。不仅因为地形合适，同时也因为，在大山深处居住的村民人数不多。而且都过着俭朴的农耕生活，自然电磁环境就比较优秀。即便这样，在建造天眼的时候，咱们还是将周边的大部分村民进行了集体搬迁，不仅是为了给建造天眼提供条件，同时也是对当地居住环境的一种改善。但相比之下，中国天眼所选择的地貌地形，其实要比波多黎各的要优异不少，除此之外，两者的口径也不同，中国的是500米口径，而美国的是305米的口径，也差了不少。那除了这些基本的条件之外，咱们的天眼在整体的设计上也是要优于阿雷西博的，这种设计不仅有时代进步的体现，也有理念的不同。咱们先看阿雷西博，阿雷西博诞生于冷战期间，他作为电磁波接受器的同时，还有发射功能，是真正能射电的望远镜，因为当时他肩负着为美国的核导弹制导的作用，所以他在设计之初，就增加了他的功能，同时也因为这种望远镜原理的原因，在望远镜的中间会有一个馈源，也就是信号接收源，这种接收源需要将整个大锅接收到的信号进行2次反射才能完全捕获，所以这个中心的馈源就比较大比较的沉重，同时，如果这个望远镜想改变观测角度的话，就要通过望远镜周边的三个高塔，牵引这个重达1000顿的馈源，像人类的瞳孔一样进行移动，来聚焦观测点。虽然这个悬吊在大锅中间的馈源用了18根钢缆来牵引，但它毕竟重达1000吨啊，而且只有三个支撑塔来保证他移动和稳定。可以说这是相当考验建筑设计功底的。但毕竟随着时间的推移，金属总会产生疲劳，并且，还因为波多黎各时常刮台风，结果在2020年，一场台风过后，那个重达1000顿的馈源，终于压断了支撑塔。其实，其实还有一层原因就是阿雷西博因为经费不足，维修不彻底。最终经过长期的积累导致了完全坍塌。
　　而中国的天眼在设计的时候，就充分地考虑到了倒塌的阿雷西博的教训，当时还在世的南仁东教授就说，我们如果要搞和美国那个一样的结构的话，因为我们的望远镜口径大，所以馈源也会变大变重，如果按照阿雷西博那样传统的思路建造，这样的话中间的那个馈源的总重量会直接飙升到3000顿。这样重的装置，不仅增加了建造成本，而且也极难对他做到精确的控制，所以我们的科技工作者就换了一个思路。前文提到了，这种射电望远镜特别像普通的那种像大锅一样的雷达，只不过普通的雷达是可以自由转动的，而这个雷达是坐在地上的。如果把他比作眼球的话，那种可以转动的雷达就相当于咱们的眼珠，想看哪里，就会以瞳孔的指向为焦点，整个眼球会转向哪里。而阿雷西博就像一个不会转动的眼珠，馈源就相当于那个瞳孔，想看哪里，只能靠瞳孔独自转向哪里。而咱们的天眼呢，就比较特别了。他和阿雷西博一样也是一个不会动的眼珠，但是，咱们的天眼除了瞳孔可以动之外，咱们的这颗大眼珠的眼底也可以动的。因为咱们通过全新的设计，用了4450块可以转动的面板来组成了这个天眼的眼底。这样，我们在用天眼观测的时候，不仅可以用馈源来聚焦，还可以通过调整反射面板来协助聚焦。这不仅扩大了咱们天眼的巡天范围，还让咱们的馈源重量，从原来计算的3000顿，减轻到只有30顿。并且咱们的天眼，还用了6根支撑塔，这也让咱们的设计更加稳定。总之，咱们的天眼和美国的阿雷西博完全就是两个时代的产物，无论从建造理念还是应用技术都有着巨大的差距。那可能有人会问了，美国的阿雷西博被台风吹塌了那他为什么不建造新的了呢，说实话，你以为美国不想造啊，刚才咱们不是说了么。美国首先没有这种地理条件，第二个，波多黎各地处加勒比海岛屿，那里的喀斯特地貌本身就不完美，先不说随着人类发展导致当地的电磁干扰加剧，就说当地的台风、地震不断这就让这个望远镜的使用寿命大打折扣。但也不是说美国就没有其他的射电望远镜，因为射电望远镜还有全可动形式，就是咱们俗称的那种雷达形式，用它来组成阵列来探索宇宙。只不过在观测效果上和单体大口径的有些差别而已。不过您放心，中国也有类似的射电望远镜阵列在运作中，其中就在咱们北京密云的不老屯儿，那里可还是个网红打卡地呢，有机会您一定得去看看，用那巨型的雷达当背景拍摄夜空可漂亮了。
　　总之中国的天眼，利用21世纪的科学技术还有全新的设计理念，丰富了人类观测太空的手段。甚至在他建成之前，就已经收到了全球各大著名实验室的预约。所以在之后的很长一段时间里，他将和詹姆斯韦伯一起，为人类探索宇宙起源之谜，和类地行星的发现贡献自己重要的力量。