美國的“天眼”塌了，中國的頂上_風聞

大家好，我是觀察者網《科工力量》欄目主播，冬曉。12月1日，美國的“天眼”出事了，位於波多黎各的阿雷西博射電望遠鏡突然倒塌，重達900噸的接收平台砸毀了下方的球形鏡盤。地球上共有兩隻“天眼”，中國的“FAST”，美國的“阿雷西博”。現在，美國的塌了，只剩下中國一家了。

阿雷西博望遠鏡是幹什麼用的？有什麼樣的成就？FAST望遠鏡又跟它有什麼關係？這幾個問題值得好好的聊一聊。

天文研究領域，修建觀測站是常事。但是，像阿雷西博這樣大的望遠鏡，確實是少數。這一切要從一篇論文説起。1959年，美國康內爾大學的科學家，在《自然》雜誌上發表了一篇論文，題目是《搜尋星際通訊》。論文學術範十足，但寫到最後，核心問題就一句話：人類要探索外星人是否存在。

尋找它們，需要搜索特定頻率的信號。只要從自然界中把這些信號分離出去，就能找到外星人。這篇論文發表完沒多久，美國人就提出了“奧茲瑪計劃”，搜尋地外文明，在釐米波範圍搜尋外星人信號。天文學家信心滿滿地觀察了六百多顆恆星，然一無所獲。他們反思了一下，得出結論：之前用的射電望遠鏡太小了，需要更大的。

這回，大的真的來了。1963年，阿雷西博建成，直徑達到305米，是當時最大的射電望遠鏡。一開始望遠鏡天線使用金屬網，精度還不夠高。70年代，工程師對望遠鏡進行了升級，加裝了快40000塊金屬板，觀測能力大幅提升。阿雷西博後來經歷各種改造、升級，最後可以接收到波長3釐米的波段。

阿雷西博工作至今，已經近60多年了。在歷史上，它曾經承擔過很多重大科研任務。1974年，它向距離地球25000光年的M13星團發了條“短信”。這條信息由1679個二進制數字組成，濃縮了目前人類生物學、數學、化學和物理學的精華。同一年，兩名美國科學家藉助它，發現了第一個脈衝雙星系統。這個系統間接的證明了引力波的存在，驗證了廣義相對論。除此之外，阿雷西博還發現了水星的自轉週期、證明了中子星的存在、發現了第一個毫秒脈衝星，在天文學研究領域戰功赫赫。

遺憾的是，英雄總有老去的一天。由於設備老舊，阿雷西博望遠鏡的支撐鋼索發生了斷裂。這些老化故障不但難修復，還可能傷到施工人員。美國國家科學基金會只能決定，終止修復，宣佈阿雷西博退役，並且拆除設施。

阿雷西博的歷史説了這麼多，問題就來了。天文觀測不是用肉眼看嗎？為什麼需要收集電磁信號？就算收集信號，為什麼要配置這麼大的天線？

要想回答這幾個問題，我們先從觀測説起。天文觀測，需要捕捉的是天體的特徵。光學望遠鏡接收的是可見光，射電望遠鏡接收的是無線電波，兩者接收的電磁波波長不同。比起光學望遠鏡，射電望遠鏡可以觀測更遙遠的天體。首先，射電望遠鏡的口徑，可以造得比光學望遠鏡大得多。其次，許多遙遠的天體，發射無線電波的能力，比發射光波的能力大。還有一個原因是，宇宙中有不少塵埃雲，使遙遠的天體所發出的光線大大減弱。脈衝星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子這“四大發現”，都有射電望遠鏡的功勞。

説到無線電波，阿雷西博的樣子，很容易讓人想到，以前家裏使用的衞星天線。實際上，阿雷西博也可以理解成一個大天線。收集宇宙間的電波，經過一系列流程，轉成數字信號，再將其記錄下來。

這個過程跟電視廣播的區別是，電視廣播需要解調過程，把信號內容翻譯出來，射電望遠鏡不需要解調。這就像二戰時候，密碼翻譯一樣，前者接收到想要的信號，按照事先商量好的規則，可以將內容翻譯出來。後者是接收到信號，但不知道怎麼翻譯。

射電望遠鏡的本質是天線，美國的阿雷西博、中國的FAST，可以理解為一口大鍋，通過巨大的拋物面，把宇宙中傳播的電波，儘可能的集中到一個點，獲得最強的信號。天線面積大了，信號接收效果也好了。可是，“船大難調頭”，既然是望遠鏡，就要調整視角觀察天體。以FAST為例，為了收集信號，就要不斷的改變信號接收點的位置還有大鍋上反射鏡的方向。這就十分考驗技術。

既然大天線這麼費勁，那用一堆小天線湊在一起，是不是有大天線的效果？這種形式確實有，叫作射電天線陣。位於智利的ALMA望遠鏡，就是採用的這種方式。如果位置選的好，這種方式的成本還會比單個大天線便宜不少。

光學望遠鏡看星星時，要減少光污染，射電望遠鏡收集信號，也要降低無關電波干擾。所以這些大型設備需要安裝在一個僻靜的地方。因此，射電望遠鏡的選址不是在高原戈壁，就是在深山老林。

或許是因為獨特的選址，射電望遠鏡往往也會被電影青睞。阿雷西博望遠鏡就曾是《007：黃金眼》、科幻電影《超時空接觸》、經典美劇《X檔案》的取景地。射擊遊戲《戰地》的地圖，也對這座望遠鏡進行取景，玩家還可以親手摧毀這裏，感受毀天滅地的效果。

​聊完了阿雷西博，就不得不説説中國的天眼“FAST”，這台望遠鏡的全稱是“500米口徑球面射電望遠鏡”，而它的首席設計師南仁東，也是一位傳奇人物。

南仁東進入天文領域前，已經是吉林省理科狀元，就讀於清華大學無線電專業。南仁東畢業後，進入無線電廠工作，憑藉過硬的技術，還擔任技術科長的職務。在工廠待了十年，之後又考取了天文學研究生，返回科學研究領域。

無線電出身，又研究天文學，南仁東的工作自然和射電望遠鏡息息相關。90年代，中國沒有自己的大型射電望遠鏡，天文學研究總是要借設備，南仁東計劃着國內要建設自己的“天眼”。一開始，他看好平方公里射電陣計劃SKA，這是國際合作項目，1993年立項，預計要到2024年前後才完工，真正投入使用還要等到2030年年底。中國的射電望遠鏡，等不了這麼久。後來，南仁東認識到SKA路線走不通。

對於射電望遠鏡項目而言：設備要先進，方案要合理，還要有足夠的經費支持。南仁東最後拉上師弟彭勃和天文學家吳盛殷，確定了FAST的望遠鏡方案。2007年，FAST項目正式立項，距離當初的設想，已經過去了13年。

射電望遠鏡與其説是天文學觀測，不如説是一個天文系統工程。觀測需要天文，鋼纜需要材料，設備需要調整機械，收集信號需要無線電。作為FAST項目總工程師，南仁東對這些領域都有了解，可以説“沒有人比他更懂FAST項目”，他一生的經歷，都是為FAST精心準備的。

他用天馬行空的想象力，克服了建設過程中的一系列難題，比如説：採用索網結構，支撐幾百米範圍的龐大反射面。為了解決這個難題，設計方案時，他還考慮過用彈簧解決材料疲勞問題。讓在場的工程師都覺得不可思議。當工程師問南仁東為什麼要在支撐結構上下功夫時，他的回答很簡單，“為了省錢”。

一系列的技術突破，最終讓FAST望遠鏡服務超過5200個機時，超過預期目標2倍。FAST鏡面直徑達到500米，靈敏度是阿雷西博的2.25倍。覆蓋張角40度，是阿雷西博的兩倍。阿雷西博受限於時代，已經達到了自身能力的極限。而FAST突破這種極限，讓全世界天文學家眼前一亮。截至到今年11月，FAST累計發現脈衝星數量超過240顆，基於FAST數據發表的高水平論文已經達到40餘篇。

大洋彼岸的阿雷西博，項目管理由美國國家科學基金會（NSF）和NASA主導，但是2001年之後，NASA一直削減相關領域的資金。2011年，這架快50歲的望遠鏡只有400萬美元的經費。一代“天眼”，結果如此落寞，也不由得讓人唏噓。

無垠太空，值得我們去深入探索。作為天文探測領域的先驅，阿雷西博見證了天文領域眾多歷史性的突破，帶着輝煌的成就，在2020年年終低調離去。“江山代有才人出，各領風騷數百年”，FAST也將接力阿雷西博，為天文學開拓新的邊疆。