美国的“天眼”塌了，中国的顶上 

　　作者：科工力量

　　大家好，我是观察者网《科工力量》栏目主播，冬晓。12月1日，美国的“天眼”出事了，位于波多黎各的阿雷西博射电望远镜突然倒塌，重达900吨的接收平台砸毁了下方的球形镜盘。地球上共有两只“天眼”，中国的“FAST”，美国的“阿雷西博”。现在，美国的塌了，只剩下中国一家了。

　　阿雷西博望远镜是干什么用的？有什么样的成就？FAST望远镜又跟它有什么关系？这几个问题值得好好的聊一聊。

　　天文研究领域，修建观测站是常事。但是，像阿雷西博这样大的望远镜，确实是少数。这一切要从一篇论文说起。1959年，美国康内尔大学的科学家，在《自然》杂志上发表了一篇论文，题目是《搜寻星际通讯》。论文学术范十足，但写到最后，核心问题就一句话：人类要探索外星人是否存在。

　　寻找它们，需要搜索特定频率的信号。只要从自然界中把这些信号分离出去，就能找到外星人。这篇论文发表完没多久，美国人就提出了“奥兹玛计划”，搜寻地外文明，在厘米波范围搜寻外星人信号。天文学家信心满满地观察了六百多颗恒星，然一无所获。他们反思了一下，得出结论：之前用的射电望远镜太小了，需要更大的。

　　这回，大的真的来了。1963年，阿雷西博建成，直径达到305米，是当时最大的射电望远镜。一开始望远镜天线使用金属网，精度还不够高。70年代，工程师对望远镜进行了升级，加装了快40000块金属板，观测能力大幅提升。阿雷西博后来经历各种改造、升级，最后可以接收到波长3厘米的波段。

　　阿雷西博工作至今，已经近60多年了。在历史上，它曾经承担过很多重大科研任务。1974年，它向距离地球25000光年的M13星团发了条“短信”。这条信息由1679个二进制数字组成，浓缩了目前人类生物学、数学、化学和物理学的精华。同一年，两名美国科学家借助它，发现了第一个脉冲双星系统。这个系统间接的证明了引力波的存在，验证了广义相对论。除此之外，阿雷西博还发现了水星的自转周期、证明了中子星的存在、发现了第一个毫秒脉冲星，在天文学研究领域战功赫赫。

　　遗憾的是，英雄总有老去的一天。由于设备老旧，阿雷西博望远镜的支撑钢索发生了断裂。这些老化故障不但难修复，还可能伤到施工人员。美国国家科学基金会只能决定，终止修复，宣布阿雷西博退役，并且拆除设施。

　　阿雷西博的历史说了这么多，问题就来了。天文观测不是用肉眼看吗？为什么需要收集电磁信号？就算收集信号，为什么要配置这么大的天线？

　　要想回答这几个问题，我们先从观测说起。天文观测，需要捕捉的是天体的特征。光学望远镜接收的是可见光，射电望远镜接收的是无线电波，两者接收的电磁波波长不同。比起光学望远镜，射电望远镜可以观测更遥远的天体。首先，射电望远镜的口径，可以造得比光学望远镜大得多。其次，许多遥远的天体，发射无线电波的能力，比发射光波的能力大。还有一个原因是，宇宙中有不少尘埃云，使遥远的天体所发出的光线大大减弱。脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子这“四大发现”，都有射电望远镜的功劳。

　　说到无线电波，阿雷西博的样子，很容易让人想到，以前家里使用的卫星天线。实际上，阿雷西博也可以理解成一个大天线。收集宇宙间的电波，经过一系列流程，转成数字信号，再将其记录下来。

　　这个过程跟电视广播的区别是，电视广播需要解调过程，把信号内容翻译出来，射电望远镜不需要解调。这就像二战时候，密码翻译一样，前者接收到想要的信号，按照事先商量好的规则，可以将内容翻译出来。后者是接收到信号，但不知道怎么翻译。

　　射电望远镜的本质是天线，美国的阿雷西博、中国的FAST，可以理解为一口大锅，通过巨大的抛物面，把宇宙中传播的电波，尽可能的集中到一个点，获得最强的信号。天线面积大了，信号接收效果也好了。可是，“船大难调头”，既然是望远镜，就要调整视角观察天体。以FAST为例，为了收集信号，就要不断的改变信号接收点的位置还有大锅上反射镜的方向。这就十分考验技术。

　　既然大天线这么费劲，那用一堆小天线凑在一起，是不是有大天线的效果？这种形式确实有，叫作射电天线阵。位于智利的ALMA望远镜，就是采用的这种方式。如果位置选的好，这种方式的成本还会比单个大天线便宜不少。

　　光学望远镜看星星时，要减少光污染，射电望远镜收集信号，也要降低无关电波干扰。所以这些大型设备需要安装在一个僻静的地方。因此，射电望远镜的选址不是在高原戈壁，就是在深山老林。

　　或许是因为独特的选址，射电望远镜往往也会被电影青睐。阿雷西博望远镜就曾是《007：黄金眼》、科幻电影《超时空接触》、经典美剧《X档案》的取景地。射击游戏《战地》的地图，也对这座望远镜进行取景，玩家还可以亲手摧毁这里，感受毁天灭地的效果。

　　聊完了阿雷西博，就不得不说说中国的天眼“FAST”，这台望远镜的全称是“500米口径球面射电望远镜”，而它的首席设计师南仁东，也是一位传奇人物。

　　南仁东进入天文领域前，已经是吉林省理科状元，就读于清华大学无线电专业。南仁东毕业后，进入无线电厂工作，凭借过硬的技术，还担任技术科长的职务。在工厂待了十年，之后又考取了天文学研究生，返回科学研究领域。

　　无线电出身，又研究天文学，南仁东的工作自然和射电望远镜息息相关。90年代，中国没有自己的大型射电望远镜，天文学研究总是要借设备，南仁东计划着国内要建设自己的“天眼”。一开始，他看好平方公里射电阵计划SKA，这是国际合作项目，1993年立项，预计要到2024年前后才完工，真正投入使用还要等到2030年年底。中国的射电望远镜，等不了这么久。后来，南仁东认识到SKA路线走不通。

　　对于射电望远镜项目而言：设备要先进，方案要合理，还要有足够的经费支持。南仁东最后拉上师弟彭勃和天文学家吴盛殷，确定了FAST的望远镜方案。2007年，FAST项目正式立项，距离当初的设想，已经过去了13年。

　　射电望远镜与其说是天文学观测，不如说是一个天文系统工程。观测需要天文，钢缆需要材料，设备需要调整机械，收集信号需要无线电。作为FAST项目总工程师，南仁东对这些领域都有了解，可以说“没有人比他更懂FAST项目”，他一生的经历，都是为FAST精心准备的。

　　他用天马行空的想象力，克服了建设过程中的一系列难题，比如说：采用索网结构，支撑几百米范围的庞大反射面。为了解决这个难题，设计方案时，他还考虑过用弹簧解决材料疲劳问题。让在场的工程师都觉得不可思议。当工程师问南仁东为什么要在支撑结构上下功夫时，他的回答很简单，“为了省钱”。

　　一系列的技术突破，最终让FAST望远镜服务超过5200个机时，超过预期目标2倍。FAST镜面直径达到500米，灵敏度是阿雷西博的2.25倍。覆盖张角40度，是阿雷西博的两倍。阿雷西博受限于时代，已经达到了自身能力的极限。而FAST突破这种极限，让全世界天文学家眼前一亮。截至到今年11月，FAST累计发现脉冲星数量超过240颗，基于FAST数据发表的高水平论文已经达到40余篇。

　　大洋彼岸的阿雷西博，项目管理由美国国家科学基金会（NSF）和NASA主导，但是2001年之后，NASA一直削减相关领域的资金。2011年，这架快50岁的望远镜只有400万美元的经费。一代“天眼”，结果如此落寞，也不由得让人唏嘘。

　　无垠太空，值得我们去深入探索。作为天文探测领域的先驱，阿雷西博见证了天文领域众多历史性的突破，带着辉煌的成就，在2020年年终低调离去。“江山代有才人出，各领风骚数百年”，FAST也将接力阿雷西博，为天文学开拓新的边疆。