滿招損，謙受益—談談FAST射電望遠鏡

滿招損，謙受益—談談FAST射電望遠鏡

中國成功建造世界最大射電望遠鏡的新聞令海內外華人莫不歡欣鼓舞之至。數月前，當500米直徑的主反射鏡拚裝完工時，我在中國科學網發表了博文：那是一隻望穿深空的天眼，我對中國工程技術飛速進步的由衷敬佩和對從事該項工程全體工作人員的深深敬意，全都傾注在了這篇短文之中。

但是，在這幾天的一片歡呼聲中，有一種傾向值得引起注意。有些媒體報導[1]：中國建最牛“天眼”領先國際20年；外國科學家參觀後也感到很震撼，“他們都很期待我們這個全世界最先進的天文設備能成為人類觀測外太空的利器，有新的科研成果出來。”；人們開始幻想，它能否聽到“天外來客”的聲音？我認為這樣的報道違背了實事求是的原則，這種宣傳手法有些像拙劣的整容手術，結果往往恰得其反，使原本光輝的印象蒙塵。我覺得有必要拂塵明鏡，把事實真相還給大眾。

射電望遠鏡和所有的望遠鏡一樣，把遠處相鄰物體區分開來的能力是它最重要的性能指標。這種分辨本領一般用成像係統對兩個可辨目標之間的最小張角來表示，亦稱角分辨率。角分辨率不變，觀察物越遠，望遠鏡的最小分辨間距變大，所以當觀察研究的天文對象越遙遠，我們就必須使用角分辨率更小的射電望遠鏡，否則就無法得到研究對象的精細結構。通常情況下，望遠鏡的角分辨率基本上決定了其“望遠”的本領。

物理學告訴我們光波就是波長較短的電磁波，因而射電望遠鏡和光學望遠鏡實際上就是同一類工具，它們檢測的隻是不同波長的電磁波。這有點像體溫計和氣溫表，它們的差別就是測量溫度的不同的區域而已，在下麵的討論中，除非特別注明，我們把射電和光學望遠鏡都統稱為望遠鏡。望遠鏡的角分辨率是由電磁波在其aperture（或antenna dish）上的衍射特性決定的，它是可以根據瑞利公式計算出來的（參見圖1）。望遠鏡的角分辨率與望遠鏡的主反射鏡的直徑成反比，而與工作的波長成正比，角分辨率越小越好。

P1)由於光的衍射特性的存在，導致點光源形成艾裏斑，重疊以後就難以分辨。

貴州平塘的FAST，其碩大的主反射鏡有效孔徑為300米，工作波長在0.3m附近，而一般的光學望遠鏡工作波長在可見光波段，最長不會超過800nm (即0.0000008m），那麽它與直徑為多少的光學望遠鏡的角分辨率相當呢？這是一道小學生算術題，
（300/0.3）*0.0000008=0.0008m，答案是小於1毫米。這個結果令人十分傷心，市場上的大眾化商業望遠鏡的孔徑至少也有十幾毫米吧。換言之，貴州平塘的FAST射電望遠鏡的角分辨率遠不及業餘愛好者的望遠鏡，想依靠它作出驚人的科學發現可能有點不切實際。

事實上FAST射電望遠鏡的角分辨率還不及我們人的肉眼，一般人眼的瞳孔直徑為3—9毫米，人眼的角分辨率比FAST也要強幾倍。順便提一下，千萬別小看了人眼的望遠能力。著名天文學史家席澤宗先生指出:中國的天文學家甘德在公元前四世紀中葉憑肉眼可能就觀測到了木星的衛星木衛二。甘德的發現早了伽利略近兩千年，這可能也是一個奇跡吧[2]。

一般來說，射電望遠鏡的角分辨率都比較差，因為它的工作波長太長，即使把主反射鏡做到幾百米之巨，其角分辨率仍難以與光學望遠鏡媲美，但是我們知道反射鏡表麵的加工精度一般與工作波長同一量級，相比光學望遠鏡而言，射電望遠鏡的反射鏡的製作要容易做得多，所以直徑也容易做得很大。“有無相生,難易相成,長短相較,高下相傾”這世上實在也沒有捷徑可走的，總體而言，平衡和公平是天道的主旋律。

射電望遠鏡把工作波長設在厘米、毫米和亞毫米波段首先是為了天文研究的需要，許多溫度不高的天體的電磁輻射就在這個波段。這個波段的電磁波的波長至少是可見光的數萬倍，現代好一點的光學望遠鏡的主反射鏡的直徑都在數米以上，如果要讓射電望遠鏡趕上這個角分辨率水準，其主反射鏡的直徑至少要數萬米，即幾十公裏之巨。在工程上製造和控製這樣的主反射鏡已經成了不可能完成的任務，說得難聽點，FAST這樣的超大型單口徑射電望遠鏡有些像侏羅紀的恐龍，它們未來的發展前途十分有限。

除了增大主反射鏡的直徑，改善射電望遠鏡的角分辨率是否還有其它途徑？“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村。”七十年代由英國開始研製的綜合孔徑射電望遠鏡可以大幅提高係統的角分辨率和接收靈敏度。總的思路是“眾人拾柴火焰高”，使用分散的多台射電望遠鏡同時接收射電信號，然後把信號匯總交計算機分析比較，產生高分辨率的天體射電幅射圖象。這種發動群眾、依靠群眾的思維方式和處事原則才具有真正的普世價值。

ALMA（阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列望遠鏡）是世界上功能最強大、技術最先進的綜合孔徑射電望遠鏡係統。這個由歐洲、美國、加拿大、日本、智利等國家和地區合作建設的射電望遠鏡陣列共有54台12米直徑和12台7米直徑的射電望遠鏡組成，散布在南美智利的5千米的高原平台上。整個係統的建設化了十多年，總投資14億美金，被譽為二十一世紀的金字塔工程。整個ALMA係統的角分辨率比哈勃太空光學望遠鏡還要強五倍！它的角分辨率比中國的FAST大概強數千倍。

圖2這張ALMA的全景照十分震撼人心，這幾十台既龐大又精密的射電望遠鏡散布在高原荒野之中，最大間距約十六公裏。它們各自的位置可以根據研究項目作相應的調整。把ALMA放在南半球這塊遠離文明的5千米高原上是經過深思熟慮的。ALMA的工作波長在0.3—9毫米波段，從圖3中可看出大氣層對這個波段的電磁波的吸收和幹涉十分嚴重。建在5千米高原的ALMA超越了大氣層最緊密的底層，把大氣的不利影響減至最少。智利查南托高原的阿塔卡馬沙漠是世界上最幹燥的地方，這樣的地理位置意味著每個夜晚都是較好的觀測天氣。據統計，在1570至1971年間，這裏沒有明顯的降雨過程，對望遠鏡的維護極為有利。

P2)

P3)橫軸是電磁波的波長，縱軸是大氣層對電磁輻射的吸收率，曲線顯示不同電磁輻射穿透大氣能力與波長的關係。從圖中可看出，中國FAST的工作波段處在大氣層的電磁輻射窗口，因而可建在較低的海拔高度上，而工作在毫米和亞毫米波段的ALMA必須建在高海拔地區。

ALMA選址在遠離文明的智利高原上也可避開人為的電磁輻射汙染。建在南半球的天文站有得天獨厚的視角優勢，它更利於對銀河係核心區域的觀察研究。當然，相對穩定的政治環境，也是ALMA選擇智利的一個重要原因。智利對ALMA項目最為關注起勁，大概也是整個計劃最大的蠃家。

在接近西藏的唐古拉山口高度的那塊荒原上，在南半球離天最近的地方，建設一座規模如此巨大的射電望遠鏡陣列必定麵臨一係列工程挑戰。整個項目的管理和技術中心設在海拔2900米，所有的設備先匯集於此，經裝配調試後再運送至5千米的高原平台（見圖4）。直徑12米的射電望遠鏡連支架和附屬設備每台重一百噸！為此由德國的專業設備公司設計了特種的高原重載車輛，這些車輛不僅用以輸送射電望遠鏡到5千米的高原平台，而且也負責在整個陣列係統中調整和變換每個射電望遠鏡的精確位置（見圖5）。圖片6顯示的就是特種運輸車輛馱載著百噸重的射電望遠鏡在亙古的曠野上艱難地往上挺進，看著這張照片，我為人類探索大自然的不屈不撓的精神深深地感動。

P4)

P5)

P6)

由天線陣列的信息理論可知，如果分布在高原上的ALMA係統中所有射電望遠鏡都對準同一片星空，每台射電望遠鏡收到磁輻射信號後先作預處理，訊號經數字化後由光纖送至海拔2900米處的技術中心。各路訊號匯總後送大型計算中心處理（圖片7），那麽經傅裏葉變換後即可直接得到天體的電磁輻射圖象[3]。對綜合孔徑和單口徑射電望遠鏡都看得見的天體而言，在每個單口徑射電望遠鏡所觀測到的光斑內，綜合孔徑射電望遠鏡都能給出－幅精細結構圖像，這是單口徑射電望遠鏡完全無能為力的。

P7)

P8)

ALMA投入運行兩年多，已經產生了一批重大成果，它必將會對天文物理的研究產生難以估量的貢獻[4]。這裏是ALMA在今年九月發布的最新圖片（圖片8），在非常年輕的恒星（TW Hydrae）的四周的星塵環中間有明顯的間隙，在靠近中心的軌道中很可能有一顆海王星大小的係外行星，而且很可能是與海王星一樣的巨大的冰球體，這個發現對認識行星生成機製將會有深遠的影響[5]。

作個小結：
1）綜合孔徑射電望遠鏡是射電天文觀測技術發展的主流，它們才是天文物理研究的利器。
2）“尺有所短寸有所長”，綜合孔徑射電望遠鏡技術也並非完美無缺，單口徑射電望遠鏡也不是一無長處，也許不久的將來它們可以聯網合作，優勢互補。
3）中國的500米單口徑射電望遠鏡具有極高的靈敏度，由於采用多波束掃描，巡天速度效率高，它工作在厘米波段，受大氣幹涉影響小，它可能會在一些特定的天文研究領域中發揮積極作用。
4）近日看到有這樣的評論：FAST的高靈敏度使其能測到一個人在月球上打手機的信號。我們不仿就此作些估算。 假定手機信號frequency是2GHz，它的波長約是15cm，相應的FAST的角分辨率約為0.15／300＝0.0005 弧度，以此乘以地月之間的距離38萬公裏，不難得出0.0005 ＊380000=190公裏 。 這結果指出如果有兩個以上的人在190公裏的範圍內從月球上打手機，FAST測到的信號是無法區分到底是一個還是多個人在打手機的。
5）事實上，中國參與並主導的國際SKA項目就是要建設世界最大的綜合孔徑射電望遠鏡係統，這方麵中國也有長足的進步，隻是少為人知而已。綜合孔徑射電望遠鏡的基礎是電動力學和信號處理技術，中國不缺這方麵的人才和經驗，我對SKA項目的未來充滿信心。

由於篇幅關係，對以上幾點結論的詳細介紹和分析將放在本文的續篇中。也希望有興趣和有一定理工基礎的讀者能辛苦一下，讀一讀本文的附件[3]，它是續篇所有分析和討論的基礎。這個附件是我的好友王博士特地為本文精心製作的。為了更好更全麵地理解綜合孔徑射電望遠鏡，我曾向王博士多次討教，在學習和討論中產生了幾十頁之多的草稿，最後幾經修改，遂成此附件。該文從電動力學最基本的概念出發，導出了綜合孔徑射電望遠鏡的工作原理，文章推理嚴謹、文字簡明扼要，綜觀各種教科書和網上文獻無出其右了。謹此對好友王博士表示深深的感謝。

本文是應【觀察者網】約稿而作，首發於觀察者網9月25日首頁。

[1]http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/8/353470.shtm

[2]Zezong, Xi, "The Discovery of Jupiter's Satellite Made by Gan De 2000 years Before Galileo", Chinese Physics 2 (3) (1982): 664–67.
感謝史????雷博主和 Spherical 的評論和批評。
添加一篇重要文獻：中科院自然科學史研究所劉金沂在1981年第7期《自然雜誌》發表了《木衛的肉眼觀測》。
文中提到的木衛二更可能是木衛三。

[3]插入附件 radio interferometry.pdf

[4]http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases

[5]Astronomers found a sign of a growing planet around TW Hydra, a nearby young star, using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Based on the distance from the central star and distribution of tiny dust grains, the baby planet is estimated to be an icy giant, similar to Uranus and Neptune in Solar System. This result is another step for understanding the origins of various types of planets.