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射电天文学与FAST望远镜

来源:论文联盟  作者:陈厚尊 [字体: ]
射电天文学与FAST望远镜 最近,伴随着一则振奋人心的新闻,“射电望远镜”和“射电天文学”两个名词悄然走进了普通民众的视野。这则新闻是这样的:
  2016年7月3日上午,位于中国贵州省黔南州平塘县克度镇金科村大窝凼(读作dàng,意为塘、水坑)的500米口径球面射电望远镜(FAST,Five hundredmeters Aperture Spherical radio Telescope)的最后一块三角形反射镜面开始起吊,并在索网上面安放到位。至此,FAST球面上的全部4450块反射镜面均已安装完毕,望远镜的建设和组装工作宣告结束,接下来将进入调试阶段,并于2016年9月正式投入使用。届时,FAST的超高灵敏度和高分辨率将助力中国的射电天文学迈向世界前列。同样是挂着“望远镜”的名号,FAST却与我们日常熟悉的天文望远镜有很大不同。首先,FAST 的口径非常大, 达到了500米,即便是观测时的瞬时有效口径也达到了300米。而地面上的光学望远镜口径一般很难超过10米,否则因镜片自身的重量引发的镜面变形对其成像质量会有显著影响。其次,FAST似乎被固定在了一个大山坳里,而不是像天文望远镜那样被安装在某种脚架上。即使是德国的口径100米的玻恩射电望远镜,也有一个可以令其“摆头”的支架。那么,FAST究竟是一台怎样的设备,又能在哪些领域帮助中国的天文学家取得领先世界的成果呢?为了了解这些,先让我们一起回顾天文学领域中相对年轻的一门分支学科:射电天文学。 本文由论文联盟http://www.LWlm.COM收集整理这是一幅FAST望远镜在组装工作临近完成时的航拍实景图,可以看到它庞大的主体被黔南群山环绕。十几年前,仅有几十户村民住在这儿,而且不通电,老百姓的生活基本与现代文明隔绝。
  现代物理学起源于牛顿在1687年出版的《自然哲学之数学原理》一书,化学起源于中国的炼丹术和西方的炼金术,微生物学起源于列文·虎克发明的显微镜,但没有人能说清楚天文学何时何地起源于何人的研究。历史上,几乎所有的古文明都曾经独立地发展过自己的天文学,只是,当时的视界必然受限于那个年代的观测手段,而这种局限性在天文学的发展史上表现得尤为突出。总体来讲,人类天文学史上总共有三次观测手段的革新。首先是1610年,意大利物理学家兼天
  文学家伽利略发明了第一台光学望远镜,使人类得以突破自身生理局限(正常人在暗夜中瞳孔能够张开的最大口径,为七八毫米),大幅提高了人们在可见光波段的集光能力。目前,经过了300多年的技术发展,以哈勃空间望远镜为代表的顶尖仪器已经能够令我们观察到宇宙大爆炸后最早一批诞生的星系。如此不可思议的成就令人类引以为傲的同时,也证明了可见光天文学有其自身的极限,在未来难有前沿性的突破。
  天文观测手段的第二、第三轮革新是有关联的,它们都源于19世纪麦克斯韦的经典电磁理论。当时,麦克斯韦敏锐地指出了光其实是一类波长范围极其狭窄的电磁波,在可见光之外,自然界或许还存在其他波长的电磁波。这样的预言仿佛开启了一扇通往巨大未知世界的窗户,人们迫切地想知道那些比红光波长更长,或者比紫光波长更短的“不可见光”的世界是什么样的。只是,要想突破十几亿年来的生物进化限制,去自由感受不同波长的世界谈何容易。地球上的生命选定波长0.4微米至0.7微米的电磁波作为可见光有其背后的原因,那就是我们的太阳。它最强的能量辐射段正好落于可见光的中心:黄光波段。在自然界中,唯有像恒星内部的核聚变那样的物理过程才可能产生可见光,因而在夜空中能被人们直接观察到的目标大都是恒星、星系,或者是被恒星光芒激发的星云等。然而,宇宙中的绝大部分地方显然都不具备恒星内部的物理环境,而是处在某种低温、空旷的亚真空状态。那里的亚真空比地球上最好的实验室能够制造的真空还要空。根据维恩定律,那是毫米波、厘米波,甚至米波的世界。射电天文学由此初露端倪。
  最早辨识出天文学的无线电波源完全是个意外。那是在20世纪30年代早期,美国贝尔公司的研究员卡尔·央斯基在使用巨大的定向天线研究短波噪声的分布时发现,当天线逐渐靠近银河方向时电磁干扰逐渐增大,并且在人马座方向达到极值。他还发现这种噪声干扰会随地球自转,于23小时56分钟(一个恒星日)内完成一轮周期性变化。他最终得出结论,认为这种始终存在的短波本底噪声应当是来自银河系的某种赫兹波。奇怪的是,他当时并没有在短波噪声里发现太阳的踪迹。直到数年后,第二次世界大战进行得如火如荼之际,一位英国的陆军研究员才在甚高频军用雷达中监测到了来自太阳的强烈电磁干扰。而在此之前,天文学家已经寻找太阳的射电信号很多年了,均没有收获。这一消息直到1946年才公之于众。天文学家查阅了当时太阳的活动记录,得知那几天恰巧有一枚大黑子经过日轮中心。这次的意外证明了两件事:第一,前人明显低估了太阳的射电发射频率,当然,其中还有甚高频雷达制造技术上的困难;第二,太阳的射电干扰与日面活动的光学现象是有联系的。自此以后,英联邦国家陆续开展了一系列针对太阳的射电观测
  工作,基本弄清了太阳在射电波段辐射强度的变化规律。
  “二战”结束以后,同射电天文学蓬勃发展相呼应的是X射线和伽马射线天文学的兴起。不过,由于地球大气的观测窗口制约,这两门学科必须借助火箭的力量将观测仪器送往宇宙空间。这无疑大大提高了该领域的研究成本。不过,最终结果是非常值得的。X射线和伽马射线是比可见光波长短得多的电磁波,因而常常与某些极端暴烈的物理过程相联系,例如超新星爆发、致密星体碰撞、黑洞吸积等等。激烈的物理环境常常蕴含着物理学的新知,因此该领域成为天文学家
  趋之若鹜的对象也就不足为奇了。值得一提的是,眼下我们正在经历第四次天文观测手段的革新。这便是引力波的加盟,它极有可能为我们带来宇宙深处关于黑洞合并、暗物质构成等方面的信息,并且引发新一轮颠覆性的天文认知巨变。未来结果如何,我们拭目以待。
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