一口巨“鍋”：2016年9月25日，位于中國(guó)貴州的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）竣工典禮如期舉行，這項(xiàng)歷經(jīng)十余年的大工程終于正式完成。作為目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將為觀測(cè)脈沖星——一種密度極高的天體提供一個(gè)絕佳的平臺(tái)，在將來(lái)甚至可以通過(guò)精確測(cè)定脈沖星到達(dá)時(shí)間來(lái)檢測(cè)引力波。FAST厲害在哪里？利用FAST檢測(cè)引力波又是怎么一回事？《環(huán)球科學(xué)》專訪了在北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所研究脈沖星測(cè)時(shí)技術(shù)的“青年千人”研究員李柯伽，請(qǐng)他為我們解釋了以上問(wèn)題。
撰文 《環(huán)球科學(xué)》記者 丁家琦
FAST望遠(yuǎn)鏡。圖片來(lái)源：FAST官網(wǎng)
《環(huán)球科學(xué)》： FAST望遠(yuǎn)鏡給我們的第一印象就是“大”，反射面口徑對(duì)于望遠(yuǎn)鏡的功能來(lái)說(shuō)有多重要？FAST投入使用后，會(huì)給脈沖星測(cè)時(shí)研究帶來(lái)哪些改進(jìn)？
李柯伽：FAST的確優(yōu)勢(shì)就是大！一般來(lái)說(shuō)，測(cè)量脈沖星到達(dá)時(shí)間的精度和反射面面積成反比。因此，如果口徑大一倍，測(cè)量精度就能提高到原來(lái)的4倍。
目前國(guó)內(nèi)脈沖星測(cè)時(shí)的主要望遠(yuǎn)鏡是新疆南山25米射電望遠(yuǎn)鏡和云南昆明的40米望遠(yuǎn)鏡，這兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡的測(cè)量精度并不足夠用來(lái)探測(cè)引力波。 FAST的有效口徑是300米，比新疆25米和云南40米要大很多， 理論上會(huì)比南山25米的測(cè)量脈沖星時(shí)間的精度提高140倍， 比云南昆明望遠(yuǎn)鏡提高約50倍。 因此，F(xiàn)AST將有可能提供世界上最精確的脈沖星到達(dá)時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)，極有可能在脈沖星測(cè)時(shí)陣列探測(cè)引力波上有重大突破。
《環(huán)球科學(xué)》：除了“大”以外，一臺(tái)好的望遠(yuǎn)鏡還需要哪些重要的特點(diǎn)或技術(shù)？FAST在這方面做得怎么樣？
李柯伽：一個(gè)好的望遠(yuǎn)鏡的另外幾個(gè)指標(biāo)是頻率范圍和天線效率。FAST本身的定位就是低頻（3GHZ以下）的射電望遠(yuǎn)鏡，而天線效率FAST在設(shè)計(jì)的頻率范圍內(nèi)做得很好。
《環(huán)球科學(xué)》：今年年初，LIGO首次探測(cè)到雙黑洞并合產(chǎn)生的引力波，也使“引力波”這個(gè)詞火了一把，但探測(cè)引力波不僅有激光干涉測(cè)量一種方式?？梢员M量簡(jiǎn)單形象地介紹一下您所研究的脈沖星測(cè)時(shí)陣（PTA）方法，以及利用FAST的射電觀測(cè)，是如何通過(guò)脈沖星測(cè)時(shí)技術(shù)探測(cè)引力波的嗎？
李柯伽：要談引力波探測(cè)， 首先要明確引力波是什么。引力波是時(shí)空（時(shí)間和空間）上距離的波動(dòng)。因此，引力波探測(cè)的目的就是測(cè)量時(shí)空上兩個(gè)點(diǎn)間距離的周期性變化。
那么如何在時(shí)空上標(biāo)定兩個(gè)點(diǎn)呢？方法是用兩個(gè)自由下落（不受除引力之外的任何力）的質(zhì)點(diǎn)，把這兩個(gè)點(diǎn)當(dāng)作粘在時(shí)空上的兩個(gè)小物體，再利用這兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置來(lái)探測(cè)時(shí)空距離的變化。
對(duì)于LIGO來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)小物體是懸掛起來(lái)的兩面鏡子，在垂直于懸掛方向上，鏡子不受力，這樣通過(guò)激光干涉的辦法來(lái)仔細(xì)測(cè)量?jī)蓚€(gè)鏡子間距離的周期變化即可探測(cè)引力波。
脈沖星測(cè)時(shí)陣列探測(cè)引力波是類似的想法。這里自由下落的質(zhì)點(diǎn)就是脈沖星本身，也即脈沖星就是標(biāo)定時(shí)空的兩個(gè)點(diǎn)。我們探測(cè)的是脈沖星發(fā)出的脈沖到達(dá)地球時(shí)間的周期變化。那么為什么不能只觀測(cè)一顆脈沖星來(lái)探測(cè)引力波呢？因?yàn)閷?duì)于一顆脈沖星而言，我們不知道探測(cè)的信號(hào)是脈沖星的噪聲，還是其他的假信號(hào)。所以我們必須利用多顆脈沖星相關(guān)的方法，來(lái)尋找相關(guān)信號(hào)以區(qū)分引力波和噪聲。
《環(huán)球科學(xué)》：脈沖星測(cè)時(shí)陣所測(cè)量的引力波和LIGO測(cè)量的引力波有何區(qū)別？
李柯伽：脈沖星測(cè)時(shí)陣列（PTA）探測(cè)的引力波目標(biāo)和LIGO非常不一樣。PTA探測(cè)的是星系中心的超大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)發(fā)出的引力波，其周期是年的量級(jí)。而LIGO探測(cè)的引力波主要來(lái)源于恒星級(jí)黑洞的并合，周期是1/1000秒的量級(jí)。由于引力波源不一樣，PTA可以進(jìn)行探測(cè)的宇宙范圍比LIGO要遠(yuǎn)得多。
《環(huán)球科學(xué)》：FAST是以一個(gè)特別大的反射面為主體的單口徑望遠(yuǎn)鏡。我們知道，建設(shè)大型射電望遠(yuǎn)鏡還有另外一種方法，就是建設(shè)多個(gè)較小反射面的望遠(yuǎn)鏡，組成一個(gè)陣列。這兩種思路各有何優(yōu)劣勢(shì)？
李柯伽：?jiǎn)慰趶接幸韵聨讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)：其一，適合探測(cè)性工作，如需要升級(jí)系統(tǒng)的電子設(shè)備，那么FAST只需要升級(jí)一套就可以了，而望遠(yuǎn)鏡陣列卻需要對(duì)所有的單元進(jìn)行升級(jí)；其次，單口徑望遠(yuǎn)鏡保留了空間分辨率中較低分辨率的部分，能夠觀測(cè)延展性結(jié)構(gòu)；此外，單口徑望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)處理較為簡(jiǎn)單，無(wú)較高的計(jì)算能力需求。
當(dāng)然，和望遠(yuǎn)鏡陣列相比，單口徑望遠(yuǎn)鏡也有一些劣勢(shì)：其一，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，單天線口徑不能造太大，造大了頻率范圍就不會(huì)太高；此外，單口徑望遠(yuǎn)鏡的分辨率較低，排除射電干擾能力也較差。
《環(huán)球科學(xué)》：我們了解到，新疆也在建一個(gè)110米口徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱QTT）項(xiàng)目，它和目前剛剛主體落成的FAST項(xiàng)目功能有何異同？同是射電望遠(yuǎn)鏡，為什么建了500米口徑以后還要建110米口徑的呢？
李柯伽：QTT和FAST實(shí)際上是互補(bǔ)的兩個(gè)系統(tǒng)，技術(shù)特點(diǎn)和目的都與FAST不太一樣。FAST由于接收面積大， 在相同頻段必然要比QTT靈敏很多。 然而，QTT的定位是全可動(dòng)的厘米波通用望遠(yuǎn)鏡。因此可以看到的天區(qū)更廣，例如可以對(duì)銀河系中心進(jìn)行觀測(cè)；另外，QTT的工作頻段要比FAST寬很多，可以觀測(cè)到很多在FAST觀測(cè)不到的頻率范圍，這對(duì)于脈沖星測(cè)量引力波的色散噪聲改正非常重要，也可以有效地避免散射帶來(lái)的效應(yīng)。QTT的寬頻段能力能夠觀測(cè)大量的無(wú)線電譜線，探索恒星形成、分子云等相關(guān)物理過(guò)程；QTT使用的反射面結(jié)構(gòu)是可動(dòng)的，這樣有利于參加國(guó)際上其他射電望遠(yuǎn)鏡組成的射電干涉儀，進(jìn)行聯(lián)測(cè)， 也有利于開展深空探索。
《環(huán)球科學(xué)》：中國(guó)這次建設(shè)的FAST可謂一鳴驚人，將射電望遠(yuǎn)鏡的口徑從幾十米一下子提高到500米，也是世界最大。你認(rèn)為建望遠(yuǎn)鏡，是一下子就建一個(gè)大的好，還是從小到中到大逐步建設(shè)比較好？
李柯伽：建造望遠(yuǎn)鏡無(wú)論大小，其實(shí)都各有優(yōu)勢(shì)。人類文明本身就是個(gè)妥協(xié)的結(jié)果，因此，建造望遠(yuǎn)鏡是以綜合國(guó)力為基礎(chǔ)，以科研目標(biāo)為導(dǎo)向，也涉及地緣政治/經(jīng)濟(jì)/文化建設(shè)等多方面考慮的后果。直接討論”建造望遠(yuǎn)鏡大還是小比較好“其實(shí)是個(gè)偽命題。從科學(xué)家的角度，我們考慮得更多的是：“造好了這個(gè)望遠(yuǎn)鏡，對(duì)人類文明有沒(méi)有突破性的推動(dòng)？” FAST造好后是世界上最靈敏的分米波望遠(yuǎn)鏡，而QTT造好后是世界上最靈敏的厘米波望遠(yuǎn)鏡，各有用處，也都很有份量。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)先聯(lián)系keyanquan@huanqiukexue.com
環(huán)球科學(xué)讀者交流群開放，進(jìn)群請(qǐng)?jiān)诠娞?hào)首頁(yè)點(diǎn)擊“讀者群”
聯(lián)系客服
