徐令予：“中國天眼”真的領先國際20年？
9月25日，全球最大射電望遠鏡——被譽為“中國天眼”的 FAST正式落成投入使用。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米直徑的主反射鏡拼裝完工時，我在中國科學網發表了博文：那是一隻望穿深空的天眼。
我在文中已經提到，建設FAST射電望遠鏡對天文物理學研究的意義十分明顯，值得一提的是在其它一些相關領域中的應用：它可參與中國航天工程中的測控系統，把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至整個太陽系，也可用它來接收深空衞星的通訊數據，把數據的下載速率提高100倍！FAST也可作為非相干散射雷達接收系統，提供高分辨率和高效率的地球中高層的大氣、電離層和地磁場的有關參數，為子午工程（大型空間環境地基監測系統）作出貢獻。其實FAST就是放在雲貴高原上的一部超大型被動式雷達，它在軍事戰略上的作用我就不置喙了。
我對中國工程技術飛速進步的由衷敬佩、對從事該項工程全體工作人員深深的敬意全都傾注在了這篇短文中。
但是，在這幾天的一片歡呼聲中，有一種傾向值得引起關注。有些媒體報導：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？我覺得這些都不是科學事實，這樣的宣傳報導違背了實事求是的原則。
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系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，它們檢測的僅是不同波長的電磁波。這有點像體温計和氣温表，它們的差別就是測量温度的不同的區域而已，在下面的討論中，除非特別註明，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被電磁波的衍射特性決定的，它是可以根據瑞利公式計算出來的。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。（圖1）
圖1）由於光的物理特性（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，工作波長主要在0.3m，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），那麼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多毫米吧。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衞星木衞二。甘德的發現早了伽利略近兩千年，這也是一個奇蹟[1]。
射電望遠鏡角分辨率差的原因是工作波長太長的緣故，即使已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面的加工精度一般與工作波長同一量級，所以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大。這世上實在是沒有捷徑可走的，從工程師的角度看世界，所有因素本無好壞和高低之別，揚長避短、因勢利導方顯工程師英雄本色。
射電望遠鏡把工作波長設在釐米、毫米和亞毫米波段是為了天文研究的需要，許多温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，即幾十公里之巨。在工程上製造和控制調節這樣的主反射鏡已經成了不可能完成的任務，因而像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？答案是肯定的，畢竟天無絕人之路(there’s will there’s way)。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系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，然後把信號彙總交計算機分析比較，產生高分辨率的天體射電幅射圖象，走的就是“人民戰爭的道路”。
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系統。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，散佈在南美智利的5千米的高原平台上。整個系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系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
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佈在高原荒野之中，最大間距約十六公里。它們各自的位置會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2中可看出大氣層對這個波段的電磁波的吸收和干涉十分嚴重。建在5千米高原的ALMA超越了大氣層最厚密的底層，把大氣的不利影響減至最少。智利查南託高原的阿塔卡馬沙漠是世界上最乾燥的地方，這樣的地理位置意味着每個夜晚都是較好的觀測天氣。據統計，在1570年至1971年間，這裏沒有明顯的降雨過程，這對望遠鏡的維護也是極為有利的。
圖3）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污染。建在南半球的天文站有得天獨厚的視角優勢，它更利於對銀河系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。
在接近西藏的唐古拉山口高度的這片荒原上，建設一座規模如此巨大的射電望遠鏡陣列必定面臨一系列工程挑戰。整個項目的管理和技術中心設在海拔2900米，所有的設備先彙集於此，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達一百噸！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系統中調整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正馱載着百噸重的射電望遠鏡在恆古的曠野上艱難地往上挺進，看着這張照片，我為人類探索大自然的不屈不繞的精神深深地感動。
圖4
圖5
圖6
我們知道，任何一幅圖像都可以分解成許多亮度分佈的正弦和餘弦成分；反之，如果知道了這些正弦和餘弦成分，就可以合成原來的圖像[2]。分佈在高原上的ALMA系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電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。各路訊號彙總後送大型計算中心處理（圖片7），經傅里葉變換後可直接得到天體的電磁輻射圖象。在直接成像功能上，綜合孔徑射電望遠鏡更像光學望遠鏡，而這是單口徑射電望遠鏡完全無能為力的。
圖7
ALMA投入運行僅二年多，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[3]。這裏是ALMA在本月發佈的最新圖片（圖片8），在非常年輕的恆星（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系外行星，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制將會有深遠的影響[4]。
圖8
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）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，由於採用多波束掃描，巡天速度效率高，它工作在釐米波段，受大氣干涉影響小，它可能會在一些特定的天文研究領域中發揮積極作用。
4）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系統，這方面中國也有長足的進步，只是少為人知而已。綜合孔徑射電望遠鏡的基礎是電動力學和信號處理技術，中國不缺這方面的人才和經驗，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不在本文中展開。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[2]，這個附件是我的好友王博士特地為本文精心製作的。為了更好更全面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。
——————————————————————————
[1]Zezong, Xi, “The Discovery of Jupiter’s Satellite Made by Gan De 2000 years Before Galileo”, Chinese Physics 2 (3) (1982): 664–67.
[3]http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases
[4]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 our Solar System. This result is another step for understanding the origins of various types of planets.
本文系觀察者網獨家稿件，文章內容純屬作者個人觀點，不代表平台觀點，未經授權，不得轉載，否則將追究法律責任。關注觀察者網微信guanchacn，每日閲讀趣味文章。