本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。
今年正逢“中国天眼”落成六周年，作为目前全球最大单口径、最灵敏的射电望远镜，“中国天眼”不仅极大推动了我国在天文领域基础研究与科研攻关的步伐，还催生了一系列具有国际影响力的科学产出。那么“中国天眼”的工作原理是什么？它所代表的射电天文学经历了怎样的发展历程？“中国天眼”背后又有哪些鲜为人知的故事？
本期首都科学讲堂邀请中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”FAST首席科学家，为公众解读这座仰望苍穹的观天巨目。
主讲嘉宾：
李菂
中国科学院国家天文台研究员，“中国天眼”FAST首席科学家
射电天文学的起源
FAST是“米口径球面射电望远镜”的英文简写，一个所见即所得的名字。“中国天眼”FAST这口直径米的“大锅”是能够透光透风和透水的，其实这口“锅”有超过一半的面积都是空洞。这些空洞足够小，远小于工作频段的无线电波波长，所以它依然是一个高效的反射面——这是一个独具匠心的科学工程设计概念。
我们有必要将“中国天眼”放在人类整个深空探索的历史中去讲述。回溯历史，作为一门既古老又现代的学科，天文学在进入21世纪后，开始越来越多地融入到物理学领域中。特别是最近几年，数届诺贝尔物理学奖颁给了天文学领域相关的研究。而这种趋势，实际上是始于20世纪中期，随着“冷战”的开始，工业与军事技术非常深度地融入到属于纯基础研究的太空探索当中。
现代物理学和现代天文学的起源都可以追溯到一个人：伽利略，他给现代科学贡献了基于直接观测而产生的重要发现和原理性思考。与他同时代的开普勒终其一生都在试图构建基于正多面体的宇宙模型，尽管最终一无所获，但他却获得了老师第谷遗留的当时世界上最精确的太阳系行星运行轨迹和位置，从而总结出著名的开普勒三大定律——直接推动了现代物理学的建立。
天体遥不可及，太空探索无法像在地面上一样做各种触手可及的物理实验，这就要借助电磁场。电磁学最早可以追溯到美国人本杰明·富兰克林，他做了一系列早期电学实验，并试图去描述自然界中神奇的电磁现象。而这些实验的集大成者是法拉第，我们在中学物理课本上就学过他做的电磁感应研究，虽然这在今天已经成为我们常识的一部分，但如果回过头去看，这个实验还是足以令人惊愕的——磁铁和线圈没有任何物理接触就产生了跨距离的作用！这直接推动了“场”概念的建立，即在自然界，除了我们能够用肉眼看到，用手触摸感知到的物体，还有着“场”这种非常实在的存在。它可以用来描述引力，也可以用来描述电磁场。
▲麦克斯韦创立的方程组，对电磁场进行了数学表述(图片来源：enlightenedcrowd.org)
后来麦克斯韦创立的方程组，对电磁场进行了数学表述。麦克斯韦创新性地引入“位移电流”这一概念，预言电磁转换以光速来传播——这就将太空发光的星体、大气层中的闪电这些“来自天堂的光”和“尘世中的电”统一在了一起。后来的海因里希·赫兹则通过自制的天线发射设备和感应线圈，证明了可以快速传播的电磁场的存在。我们直到今天还在用赫兹这个名字作为电磁场振动频率的单位，一个赫兹就是这个场一秒钟振荡一次。我们通信所用的频段，通常是用“几个G”来表示。G赫兹频段，就是一秒钟要振荡10亿次，这就是我们现在常说的无线电频段。
借助这个频段作为探测手段去看太空的这一想法，则要追溯到20世纪早期，一位是央斯基，一位是格罗特·雷伯。他们真正代表人类发现了来自太空的无线电辐射。这一发现被当时的天文学界忽视了！将无线电作为探测手段系统研究宇宙，要等到另一项重要的发现之后，即发现宇宙物质的组成成分——原子氢气。宇宙大爆炸之后，随着能量密度的下降，能量不断转化成物质，而物质最简单也是最丰富的原子形式，就是氢，它只有一个原子核和一个电子，在大爆炸后相当长的时期里，原子氢气是宇宙中绝对主导的成分。随着宇宙继续膨胀，形成了各种各样的结构，比如恒星、星系乃至黑洞，最终演变成我们今天丰富多彩的宇宙。现代射电天文学的全面发展，由发现原子氢气这一宇宙物质主要成分的里程碑发端，帮助人类揭示各种天体的起源。
原子氢气：揭秘宇宙的起源
即使到了今天，原子氢气质量的总和，也是要远远超过人类肉眼所能观测到的所有恒星与星系的质量总和。人类显然无法在这种极遥远的尺度上，借助化学方法或者探针设备这类常规手段去直接探测这些原子氢气。最终到了上世纪40年代中期，荷兰天文学界范德胡斯特用当时相对成熟的量子力学理论预言道：氢原子中电子与原子核的相互作用能产生一个能级差，并释放一个光子。这种相互作用，就是超精细结构（指导致原子、分子和离子的能级造成细微变化和分裂的一系列效应）的一个辐射，所产生的能量是相对低的，其对应的波长是21厘米，相当于一个篮球或西瓜大小。而这一波长在对应的无线电波段是1.4个G赫兹，即一秒钟该电磁场要反复振荡14亿次。
▲暮年的埃文与他当年搭建的无线电望远镜天线部件合影（图片来源：美国绿岸天文台）
真正用实验去证明这个预言的，是哈佛大学物理系的研究生埃文。他搭建了一个非常粗糙的无线电望远镜，在后端发展了非常重要和创新的无线电技术，比如我们至今仍在使用的频率切换。无线电探测手段，不仅能探测辐射的强度，还能探测其相对我们运动的速度。范德胡斯特和埃文的发现，使人类得以窥见宇宙物质最主要的组成部分及其动力学性质。值得一提的是埃文搭建的实验设备非常便宜，整个预算不超过美元。
50年代后，射电天文学这个学科才正式出现，除了哈佛大学开始设立博士点外，其他研究单位也开始建立自己的射电研究设备。而这主要得益于美国二战期间军事实验室留下的大量剩余设备，埃文本人则是以极为低廉的价格从一个濒临倒闭的无线电实验室获取各种部件。这也让心灵手巧的埃文能用区区美元就搭建了这样一个世界最前沿的观测装置。
▲大气对不同波段电磁波的不透明度（图片来源：美国国家航空航天局）
大气层对于无线电的遮挡程度实际上是有限的，对于10米波长内的信号而言，大气层存在3-4个数量级的窗口，是完全透明的。这也就是我们人类最常用的通信频段，因此在遇到刮风下雨时，我们的手机依然可以正常使用。而在这个频段，原子氢气所对应的特征频率就是1.4G赫兹，以及21厘米波长。这就使得射电望远镜能够看向宇宙。
▲美国国家射电天文台所使用的L波段巨型馈源（图片来源：美国国家射电天文台）
射电望远镜的外形千奇百怪，但其基本组成就只有三个部分：首先是天线，负责收光。其次是馈源，负责采集聚焦后的电磁场信号。最后是终端，负责提取科学家所需的信息。其实，普通的通信基站、卫星电视天线，甚至手机本身，都可以看成一个射电望远镜，不过这取决于这些设备要看到什么与把看到的处理成什么。对于普通人而言，终端设备将这些信号处理成短视频等形式，对于天文学家来说，则将其处理成宇宙物质的氢气信号。
横空出世的阿雷西博望远镜
从50年代射电天文学这一学科正式出现以来，全世界的天文学家就开始着手搭建自己的观测设备。但这些设备的口径基本就是20-30米。而阿雷西博射电望远镜的横空出世，则将口径跃升到了米级别，跳跃性地拓展了人类探测宇宙的精度与深度。但这个项目最初并不是由天文学界提出的，而是来自一个名叫威廉·戈登的电子工程师的天才想法：他设想对大气电离层中等离子体反射的雷达回波进行监测。由于这种信号非常微弱，他测算需要建设口径达米的巨型天线才可行。得益于冷战时期美苏太空竞赛的助推作用，当时的美国国防部高级研究计划署（ARPA）投资了阿雷西博射电望远镜项目。
▲阿雷西博射电天文望远镜（图片来源：美国佛罗里达州中央大学）
这个项目看似疯狂，但是工程师又有一些看似简单却非常天才的解决方案。首先这么大规模的天线，肯定是无法将其托举起来的，所以工程师们就在加勒比海的波多黎各岛上找了一处喀斯特地貌进行建设，直接用自然形成的碗形大坑作为底座。其次，由于球面是无法形成点聚焦的，工程师们就设计了一根3-4层楼高的金属悬吊塔，被称为“线馈”，以此来形成球面聚焦的焦点，其长度与工作信号的波长成正比。如果我们肉眼能够看到无线电波的话，就会发现电波像光线一样首先打到线馈的底端，然后越往线馈顶部走越亮，到达顶部感应器时又重新聚焦，变得最亮。这样一个设计理念，使得阿雷西博望远镜在建成伊始就取得了一系列载入教科书的重大发现。
▲阿雷西博射电天文望远镜的巨型馈源，左下角可见其独特设计的塔状线馈源（图片来源：uncover.travel）
在阿雷西博射电望远镜落成后的年，人类首次发现了脉冲星。我们知道，脉冲星是一个稳定的高速旋转且具有极高磁场与极高物质密度的中子星，其物质状态极为特殊，体内已经压缩到没有电子和质子，平均密度高达每立方厘米1亿-10亿吨！脉冲星最重要的特征，就是转动特别稳定，可以达到每10亿年慢1秒的程度，堪比高精度的原子钟，这相当于为人类在宇宙中提供了一个时钟。
在脉冲星这个重大发现之后，美国天文学家泰勒就提出要借助阿雷西博望远镜去探索新的脉冲星，并申请立项。年，在探测项目刚执行的当年，泰勒的学生就发现了一个脉冲双星系统（由一颗脉冲星和一颗中子星组成），科学家们根据该星的脉冲能够精确地研究其轨道动力学。在传统的牛顿经典力学体系中，两个在真空中相互转动的物体是在做加速运动（运动方向变化），但没有能量耗散。泰勒在对于该脉冲星的时钟信号进行了长达20年的精确测量后，发现这个双星系统的轨道是严格按照广义相对论的预言在衰减，两颗星的轨道在逐步接近——这说明两颗星的能量在真空中耗散了。原来中子星在加速运动中可以掀起时空的涟漪，而这个时空涟漪本身是可以带走能量的。这种能量辐射的机制，就是今天我们耳熟能详的“引力波”。泰勒的这个发现，连同随后的工作，让他和天体物理学奖赫尔斯一道荣获了年的诺贝尔物理学奖。
因发现脉冲双星而与赫尔斯分享年度诺贝尔物理学奖的约瑟夫·泰勒来源：马萨诸塞大学阿特默斯分校图书馆
射电天文学发展的重要里程碑就是对中性氢的探索，但阿雷西博望远镜本身却一直不适合作中性氢的研究。虽然“线馈”装置是一个天才设计，但缺陷也很明显：如果观测波长有变，就需要整体更换这个“线馈”装置。而宇宙中的气体相对于地球是有各种各样的红移的。如果是只能作窄带观测的系统，其观测范围势必会非常受限。从70-80年代开始，工程师们一直在思考各种改进方案，最终在90年代中期给阿雷西博望远镜又安装了一座四层楼高重达吨的穹顶，在穹顶内工程师加装了两面镜子，通过这种特殊设计的几何面，使得望远镜具备了作宽带观测研究的能力。
▲年12月1日发生垮塌事故的阿雷西博天文台（图片来源：美国《科学》杂志
