互动科普

撰文/施小安   图片/袁维盛

天眼抬头远望之时

FAST望远镜的观测涵盖广泛的天文学内容，它投入使用后，将在VLBI（Very Long Baseline Interferometry，甚长基线干涉测量技术）联网观测中扮演重要角色。基于其极大的接收面积和高灵敏度、分辨率，其可观测的天体数目将大幅度增加，可为科学家提供更多更好的观测统计样本，能更可靠地检验现代物理学、天文学的理论和模型。它将搜寻到更多的奇异天体，其中蕴涵着大量新发现的机会，甚至有可能发现在宇宙中除地球生物以外的生命体。

单天线望远镜分辨率受其口径影响，若想获得与目前光学望远镜相当的分辨率，就得把口径做得像地球那么大，这几乎不可能实现。但采用VLBI技术，将多个望远镜联网，对同一天体进行观测，可形成口径为望远镜之间距离的巨型望远镜的观测效果。加入VLBI的天线可以相隔很远，甚至放到地球的两端，以获得更高的分辨率。目前国际VLBI网有欧洲网EVN、美国网VLBA和亚太网APT等，他们主要的单元望远镜口径在20～40米，最大的也才有100米。将来FAST如果加入，由于其巨大的接收面积和地处所有联测网边缘的地域优势，提升联测网基线监测灵敏度约10倍（灵敏度正比于口径平方），可成图的目标数将增加1000倍（即可探测天体数目，正比于口径的三次方），FAST将成为VLBI联测网的主角。

FAST可巡视宇宙中的中性氢，研究宇宙大尺度物理学，探索宇宙起源和演化。氢是宇宙间最简单、最丰富的元素，它与宇宙大爆炸几乎同龄，是宇宙的“百科全书”。中性氢原子发出21厘米辐射，通过宇宙氢谱线的红移，可了解天体运动规律及情况，或许能解答宇宙星系团的演化与成因。通过中性氢分布的详细观测，还有可能揭示本星系群和附近物质的纤维状分布，或许会为我们深入了解暗物质的分布和性质提供更多的线索。

脉冲星，顾名思义，其能“周期性”地发射脉冲信号，实际是高速旋转的中子星。理论估计银河系中有约6万颗脉冲星，已经发现的大约占3%，目前新类型的脉冲星的数目还不多，而且它们往往是在现有设备的探测极限附近发现的。FAST具有高的灵敏度和大的天区覆盖，有利于发现更多暗弱脉冲星、毫秒脉冲星、脉冲双星、双脉冲星系统、脉冲星行星系统、河外强脉冲星、非球状星团毫秒脉冲星等罕见类型。FAST具有大接收面积，其本身具有的与观测积分时间和信号带宽无关的原始灵敏度高，也就是非积分灵敏度高，特别适用于脉冲星偏振、单个脉冲等的研究，以对星际介质做更精确的探测，揭示脉冲星辐射的成因等奥秘。

星际介质中分子在不同能级间跃迁可产生各种分子谱线，这些分子中包括蛋白质的基本化学元素C、H、N和O等。至2004 年, 已确认的星际分子超过130种，每种分子往往有几个以至上百个源，这些分子源分布在星际空间中物理条件不同的各个区域。

激发态原子或分子受激，会产生脉泽辐射，也就是微波波段的激光现象。而超脉泽，是存在于银河系外的剧烈脉泽辐射，其辐射量是典型河内星系脉泽的百万倍以上。在银河系已发现几千个脉泽分子源, 在河外星系中发现了106个OH超脉泽源和20多个H₂O超脉泽源。 

星际分子广泛存在于多种天文环境，约有20%的分子谱线处于厘米、分米波段；FAST工作带宽内包含甲醇（CH₃OH）、醛（HCHO）等17种重要分子谱线。利用其高灵敏度，可对众多星系和类星体进行OH、HCHO、CH₃OH分子超脉泽的广泛搜寻。FAST的性能将可以观测到更多OH超脉泽源，进一步研究超脉泽和星系类型的关系、超脉泽与核活动的关系、超脉泽和星系核相对论性外流的关系。利用其极高灵敏度，我们将可能第一个发现河外星系CH₃OH超脉泽，甚至发现高红移巨脉泽星系，研究宇宙早期演化。

水是地球生命体最基本的物质，中性氢(H)发出的电磁波是1.42GHz，而羟基（-OH）发出的是1.64GHz，我们会发现中性氢（H）和羟基（-OH）结合成水（H₂O），在这两个频率之间狭窄的频带也因此被称为“水洞”，利用高灵敏度的FAST，通过搜寻太空的“水洞”信号，或许我们会在更遥远的星空发现人类一直在找寻的地外文明，我们或许会发现，其实我们并不“孤独”。

FAST能做些什么，将为我们解答哪些问题，以上只是我们目前能想象到的。但是，当“天眼”睁开望向深邃的太空之时，目光能触及哪里，究竟能看到什么尚不得而知。不过可以肯定，它必将把人类对宇宙的认识带入新的纪元。

图. 天眼注视神秘夜空

（本文发表于《科学世界》2015年第9期）