文/ 李会超

FAST是“500米口径射电望远镜”的英文简称。这个架设在中国贵州喀斯特洼坑中的“大锅”，是目前世界上单口径最大也是最为灵敏的射电望远镜，为我们探索宇宙之谜开启了另一扇窗户。除了进行天文学和天体物理学方面的诸多研究外，FAST还将监听太空中特定波段的信号，寻找地外文明，也就是我们常说的“外星人”的蛛丝马迹。

▲ 被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）全景（新华社记者欧东渠 摄）

射电天文学的缘起

当夜幕降临，天空中出现闪烁的星斗，我们肉眼能观察到的是恒星、行星和其他天体发射的可见光信号。最初的天文学研究，也只就是使用能够接收可见光波段的望远镜。然而，可见光实际上只是电磁波谱中的一段，而天体活动除了产生可见光信号外，也在波长更短的紫外、X等波段和波长更长的射电波段产生信号。

射电天文学的诞生源于一次偶然。1932年，美国贝尔实验室的工程师卡尔·央斯基正在进行短波通信告饶源的研究。在使用一个大型定向天线接收信号的过程中，央斯基发现一个来源未知的奇特无线电信号。经过一番分析后，央斯基最终断定信号并非来自地球上的发射装置，而是来自银河系中遥远的天体。自此，天文学家们才认识到天体射电信号的存在，并在这个波段上开展了观测。

▲ FAST反射面吊装工程

和其他的天文观测设备一样，射电望远镜同样追求更高的观测分辨率和灵敏度。更高的观测分辨率，意味着我们能辨别出天体的更多细节；而更高的灵敏度，则可以让我们捕捉到更加暗弱的信号。其中，望远镜能够分辨的最小空间尺度和波长成正比，和望远镜的接收面积成反比。由于射电波段的波长比可见波高不少，因此射电望远镜的接收面积必须比光学望远镜大很多，才能实现相似的分辨率。因此目前观测遥远天体的主流射电望远镜，其直径都在几十米以上，有的可达百米甚至数百米，远高于光学望远镜。同时，接收面积越大，望远镜的灵敏度也就更大。因此尽量提高望远镜的面积是提高射电望远镜观测能力的途径之一。

大部分射电望远镜的外形和我们接收卫星信号的“大锅”相似，望远镜的反射面与支撑控制反射面运动的装置相连接，指向是可以变化的。受材料性能限制，这种可动式的射电望远镜最大口径在100米左右，而如果要进一步扩大望远镜的面积，人们想出了借助天然地形，在自然形成的洼坑中布置望远镜的办法。1962年建成的阿雷西博望远镜，就是利用固定的地形建设的固定球面射电望远镜。

▲ FAST底部结构

了不起的“大锅”

射电天文学所使用的波段，也是人们进行无线电通信所使用的波段。随着人类对无线电频段利用的增加，来自遥远天体的自然信号有可能逐渐被人造信号淹没。为了赶在这一天到来前发现更多宇宙深处的奥秘，10个国家的天文学家在1993年的国际无线电联大会上，提出了建造巨型射电天文望远镜的构想。1994年，FAST的概念被正式提出。2007年，FAST项目正式获得国家立项。2016年7月，FAST主体工程完工，并投入试运行，边调试边进行一些科学观测。

FAST望远镜的主体结构——反射面占地约25万平方米，面积相当于30个足球场大小，直径500米。这个反射面并非一个一体的结构，而是由4450块三角面板构成，总重量超过2000吨。来自宇宙中的无线电波经过反射面反射后，汇聚到望远镜顶部吊装的馈源舱中，实现信号的接收。

FAST这口“大锅”安放在贵州省平塘县一个名叫大窝凼的洼地中。这个洼地的大小合适，形状又刚好适合安装球面望远镜，排水条件也比较好，是科研人员在前期选址时，从400个备选的喀斯特洼地中精挑细选出来的。同时，建在深山老林中，远离各种人工无线电发射源，也给FAST提供了良好的无线电环境。

FAST本身的球面形状不能将射电信号聚焦到一个点。同时，由于FAST本身的结构是固定的，因此如果不采用特殊的手段，将只能观测天顶附近的一小片区域。而FAST的创新之处在于，组成FAST反射面的4000多个三角板都是可控的。通过对每一块三角板指向的微小调整，FAST可以在发射面上制造出一个有效口径在300米的抛物面，还可以动态调整抛物面的朝向。这样，虽然FAST本身是固定的，但却能让这个动态的抛物面指向不同的方向，完成一定区域天空的巡视。当使用300米抛物面时，可以在天顶附近26.4度的范围内进行观测。而如果牺牲一部分观测面积，将有效地将抛物面直径降低到200米，则可实现天顶附近60度的观测。

在FAST测试的早期，馈源舱内接受信号的是单波束接收机，望远镜每次只能获得天空中一个像素点的信息。而为FAST量身定制的19波束接收机，将在未来投入使用。这使得FAST在观测过程中，每次可以获得19个像素点的信息。如果要获取一片天区相对连续的图像，既可以通过多次“曝光”的方式完成，又可以通过扫描成像的方式完成。

FAST望远镜立项时，主要提出了中性氢观测、VLBI组网观测、脉冲星观测、分子谱线观测和地外文明搜寻等方面的科学目标。在调试阶段，FAST发现了多颗脉冲星，实现了中国天文学家使用自己的望远镜观测脉冲星的领域的突破。

脉冲星是一种特殊的中子星，因为其辐射波束会周期性地快速扫过地球，因此从地球上观察，脉冲星发射的是一个个周期性的脉冲信号。对脉冲星进行观测，不仅能够研究脉冲星自身的极端物理状态，还能对星际介质、银河系磁场、引力波等目标进行研究。目前已知的2000多颗脉冲星中，大部分脉冲星是澳大利亚帕克斯望远镜使用多波束接收机通过巡天观测找到的。虽然FAST目前发现的数量还不多，但在调试阶段各项指标均为达到理想的情况下，如此的科学产出已经足够让人兴奋。据估计，未来FAST有望搜寻到4000颗脉冲星。

▲ FAST全景

▲ FAST形成300米有效观测抛物面的原理图

寻找地外文明

在立项之初，FAST就将寻找地外文明确定为自身的几个科学目标之一。既然人类会向太空中发射无线电波，那么我们有理由相信如果其他星球上存在文明的话，他们也会向太空中发射无线电信号。

天文学家卡尔达舍夫（Kardashev）设想，如果宇宙中存在其他的文明，那么可以根据这些文明对能量的使用能力分为三类。第一类文明的能力与人类相似，能够使用行星上接收到的来自恒星的全部能量。第二类能力则上了一个台阶，能够使用行星环绕的那个恒星所释放的全部能量。而第三类文明的能力则到了惊人的地步：他们具备可以利用像银河系这样的整个星系的能力。和现实生活一样，能力较高的后两类文明，存在的几率较小，应该比较松散地分布在宇宙中。第一类文明存在的几率较大，有可能就在我们已经发现的具备宜居条件的行星上。

▲ 仙女座M31大星云

对于第一类文明的寻找，FAST的目标比较明确：它将对美国宇航局的TESS卫星所发现的系外行星进行有针对性的搜星。TESS于2018年开始升空工作，主要利用系外行星的凌日现象来搜寻我们尚未发现的系外行星。据估计，TESS在工作期内有望发现多达1250颗行星，有些甚至能认证处于恒星附近的宜居带中。由于这些行星之前从未被发现过，因此也从未被之前搜寻系外文明的研究活动监听过，具有潜在的研究价值。根据已经发表的论文，FAST将会对频率在30MHz～3GHz间的5个频段进行监听。

仙女座（M31）是距离我们最近的大型星系，规模与银河系类似，恒星总量达1万亿。FAST将会利用其灵敏度高的优势，在1250MHz到1420MHz的频段间进行监听，每10分钟就能取样一次。这个频段，也是著名的“水洞”所在的频段。科学家们相信，借助FAST强大的观测能力，如果在那1万亿颗恒星中真的存在第二类和第三类文明发出的信号，那么FAST一定能捕捉到它。★

▲ FAST夜景