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「新浪科技综合」天眼看宇宙：从脉冲星到外星人新浪科技综合2020-07-15 10:10:150阅( 二 )


「新浪科技综合」天眼看宇宙：从脉冲星到外星人新浪科技综合2020-07-15 10:10:150阅
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图4/14图4：球面和抛物面反射的区别 。 左图为球面反射 ， 可以看到平行光经球面反射后并不能汇聚到一点；右图为抛物面反射 ， 可以将平行光汇聚到焦点上 。 图片来源：amazingspace.org为了解决这个问题 ， 阿雷西博在望远镜的上面加了一个格里高利反射系统（Gregorian reflector system） ， 将经过球面主镜（也就是大锅）反射过来的光再经两次反射来汇聚到一点 。 当观测天上不同位置的天体时 ， 只需移动这个系统即可 。 这个方法比较简单 ， 在光学望远镜中也有很多成熟的应用 。 但是阿雷西博的这个反射系统很笨重（图2中悬在上方的那一大坨） ， 整个平台大约有900吨重 ， 它挡住了“锅面”上相当大的一部分 ， 这样的光路造成了很多额外的干扰 。
而FAST则使用了一种思路上更加直接的办法 ， 那就是在观测时改变“大锅”的形状 ， 将它变成抛物面 。 不过这种办法做起来却很有难度：由于地球的自转 ， 天上的天体会不停地自西向东移动 ， 因此如果要盯着同一个天体长时间观测的话 ， 这个抛物面就得不停的改变方向以正对着目标天体 ， 而实时精确地改变几百米大的反射面又谈何容易 。
FAST的大锅由四千多块三角形的面板组成 ， 这些面板拼起来共有两千多个节点 ， 每个节点上都装了一个促动器（图4中的黄色推杆）连接在地面上 。 这些促动器由电脑控制 ， 在观测的过程中不停的拉动面板 ， 将正对目标天体的那部分面板调整成合适的抛物面形状 。 因此FAST在观测过程中实际上只用了部分面板 ， 而这部分面板的口径是300米 。
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图5/14图4：连接在面板节点上的促动器 。 上图为示意图（Nan et al 。2011） ， 下图为照片（黄色杆子）FAST所要观测的射电信号波长最小可到厘米量级 ， 因此面板移动的精度必须控制在1厘米以内 。 为了保证抛物面的形状能达到足够的精度 ， FAST在反射面板上装了很多反射镜来帮助实时测量面板位置以便进行实时调整 。 这些反射镜会反射测量基墩上发出的测距激光束 ， 我们便可通过测量激光的反射时间来精确测量它们的位置（图5） 。
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图6/14图5：在夜晚拍摄的面板上的反射镜 。 当相机闪光灯亮起的时候 ， 所有的反射镜都将光反射回相机 ， 于是就形成了这些排列整齐的亮点FAST由于有了实时变动的抛物面反射镜 ， 便不需要额外的改正系统来将信号汇聚到一点 ， 因此只需将轻的多的接收机定在焦点上即可 。 FAST周边竖立了六个巨型金属塔 ， 在这六个塔上分别伸出六根钢索吊住中心的馈源仓（见图6 ， 就是放接收机的地方） 。 这样的馈源支撑系统轻巧的多 ， 也减少了很多光路上的干扰 。
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图7/14「新浪科技综合」天眼看宇宙：从脉冲星到外星人新浪科技综合2020-07-15 10:10:150阅
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图8/14图6：FAST馈源仓 。 下图为吊在空中的状态；上图为降落在“锅底”的状态 ， 露在外面圆盘状的是19波束接收机FAST在观测的时候 ， 会根据天体的位置不停地调整馈源仓的位置和反射面的形状 ， 以保证其信号会被完美地汇聚到馈源仓内的接收机上（图7） 。
上面说了这么一堆 ， 基本意思就是FAST是我国自主建造的望远镜 ， 它口径巨大 ， 集光能力世界一流 ， 而且有一些黑科技来确保其观测精度 。 让我们再回到最初老司机的“灵魂三问”：
Q1：FAST口径最大 ， 是不是能看得最远？
FAST是现今世界上最大且最灵敏的单镜面射电望远镜 ， 但却不一定是看得最远的望远镜 。 望远镜能看多远不光与它的大小有关系 ， 还与要看的东西有多“亮”有关 。 FAST的设计工作频率是70-3000MHz ， 与收音机及手机信号的频率类似 ， 而大多数最遥远的天体在这个频段并不是很亮 。
因此虽然FAST灵敏度很高 ， 其实并不见得能比其它波段的望远镜看得更远 。 迄今发现的最遥远的一批天体大都是星系和类星体 ， 它们几乎都是光学和红外望远镜发现的 。 不过若是在其工作频段内 ， FAST肯定看得最远 。
Q2：用FAST能看到很多很多星星吗？
夜空中绝大多数肉眼能看到的星星在射电频段发出的辐射也是非常微弱的 ， 所以FAST在看恒星方面并不是特别擅长 。 而且FAST所在的区域虽然夜晚光污染不多 ， 但时常会下雨 ， 雨水并不会对射电波段的观测造成很大影响 ， 但是夜空中的繁星在阴雨天气中就无法看到了 。 不过 ， 若是能碰上晴朗的夜晚 ， 也是有机会用肉眼享受美丽的星空的（图8） 。
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图9/14图8：FAST与夜空 ， 照片左上角为正好划过天空的一颗流星 ， 图片来源：FAST张蜀新、黄琳Q3：FAST到底能看什么？
这个问题实际上也是天文学家们最关心的 。 FAST于今年5月份正式公开征集观测计划 ， 将2020年8月至2021年7月期间大约40%的时间拿出来用于全国的科学家自由观测申请 。 在此之前 ， FAST科学委员会已经遴选并启动了五项FAST优先和重大项目 ， 并将50%的观测时间用于这些项目的观测 。 这些项目基本上代表了FAST最擅长 ， 而且也最容易看出成果的方向 。


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