说说那些奇形怪状的天文望远镜:FAST是最大的吗

2015年11月24日 10:10 新浪科技 微博
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国家重大科技基础设施——500米口径球面射电望远镜。虽然英文简称“FAST(快)”,整个项目可是慢工出细活。

  出品:科普中国

  制作:银河路16号团队

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  一口幕天席地的锅,涮着星群的波

  听说,上星期,各大媒体蜂拥到了贵州的一个山坳里,人人都在传:

  “大锅!”

  “直径500米!”

  “面积足有30个足球场!”

  美食节目?当然不是。这口架在平塘县天然喀斯特坑谷里,大得漫山遍野的金属锅,涮的并非酸笋饵块,而是电磁波。它就是近期最耀眼的天文工程明星,国家重大科技基础设施——500米口径球面射电望远镜。虽然英文简称“FAST(快)”,整个项目可是慢工出细活:

  1。 1994年选址,2011年开工——搞定锅台:

  2。 去年底圈梁合龙,今年二月索网编拢——支起锅架:

  3。 今年八月初到现在,反射面单元一块块吊装成功——正拼锅壳:

  等明年九月竣工,相信,比起那些给山加个盖儿给岛套个圈儿的环境雕塑,FAST也不遑多让,堪称又酷又深情的大地艺术(land art)吧?

  难道,还有比FAST更大的?——天文望远镜快速分类法

  世界最大的球面射电望远镜,FAST当之无愧。然而,去掉前缀,它是不是世界最大的望远镜呢?

  如果你上网搜索一下,可能会发现,这个百科说:最大的在西班牙,直径10米。那个媒体说,最大的在智利,正在建,直径39米。还有的说,最大的在俄罗斯,直径576米。更多的说,落伍了吧,最大的在南非和澳大利亚,也在建,据说信号收集面积1平方公里,分布范围超过3000公里!

  有准儿没有?

  其实,这些说法都没有错,但并不严格,这就得浅显讲讲天文望远镜的分类。

  分类法很多,最系统的,是按照望远镜探测的电磁波类型来区分:探测无线电的,叫射电望远镜;探测可见光的,叫光学望远镜;类推之,还有红外线、X射线、伽玛射线望远镜等。

  每一类可以按照不同的标准再细分下去。

  例如射电望远镜可以按照形态分为,球面射电望远镜、抛面射电望远镜、带形射电望远镜,还有一种,是把好多单个射电镜连起来,组成一个望远镜阵,再把单个采集的数据综合起来,这个阵,就相当于一个虚拟的超大望远镜了。

  再例如,光学望远镜可以按照原理分为,折射望远镜、反射望远镜、折反射结合望远镜,也有多个望远镜组成的阵。

  而只有同一类,才能比大小。

  不过,科学之美,既形而上,也形而下,又岂止于大?

  就像音乐爱好者衍生了音响发烧友,天文爱好者也会衍生出天文工程控和天文台旅行团。一句话:我们爱星星,但我们更爱望远镜!满世界名山大川、“宫堡基厅”,全是热门旅行团在合影,再踏上说走就走的穷游路时,我们何不独辟蹊径,去看看奇形怪状的望远镜?

  好了,快速分类法在手,现在我们可以拿起世界地图,订好机票,挑想看的看了。

  射电望远镜之美,美得波澜壮阔,地陷天旋。先看它们。

  抛面射电望远镜

  大多数射电镜,都是抛面的。如果看过安慰剂(Placebo)乐队名曲《The Bitter End》的MV,也许还记得,主唱Molko帅气得刷着吉他,镜头一拉,人小如蚁,竟是站在英国柴郡的洛弗尔(Lovell)望远镜上,抛面碟盘直径76米,转得白云千载空悠悠:

  如果在抛面射电镜里排尺寸,这个叱咤流行文化的天文工程明星只排第三,德国波恩直径100米的埃菲尔斯伯格(Effelsberg)望远镜排第二,而第一名,也是这颗星球陆上最大的可移动物体,在美国西弗吉尼亚,直径110米,高过自由女神像,叫“绿岸”(Green Bank)——没错,《三体》的“红岸”即典出于此:

  感受到它的美了吗?绿岸淋漓尽致地体现了射电镜的纯白,高冷,奇崛,未来派。

  顺嘴一提,绿岸直径90米的前身,三十年前因为角撑板故障,用着用着,居然塌了,可你瞧,塌都塌得这么帅:

  而最能满足民族虚荣心的,叫“天马”,直径65米,亚洲最大,自一二年起屹立上海松江,在黄昏苍穹下缓缓巡天时,目击者普遍表示已经看哭:

  如果过几年,等新疆奇台直径110米的建好,这座次还得重排。

  到时候,中国摇滚乐队有福了,农业重金属和胡同小清新们,终于不必死守着冷却塔或绿皮火车自拍个没完了。

  球面射电望远镜

  抛面和球面的区别在于:电磁波平行入射进来,前者能把它们聚焦在一个点上,后者却只能聚焦在一条线上。只有聚焦处,才能用馈源采集数据。

  这就要说到FAST的最新进展了:大锅四周,六座百米多高的支撑塔,用钢索吊起了馈源舱——就是那个红顶小白盘:

  可能有些看不真切,太遗憾了。因为通过它,可以引出FAST最大的创新点,叫“主动反射面”。而这,还得从另一口大锅讲起。

  如果看过暴露年龄的《007之黄金眼》或《超时空接触》,也许对那一口嵌在朗朗青山中的大锅还有印象。那正是FAST的前辈,波多黎各的阿雷西博(Arecibo)望远镜,直径305米:

  如今,这个独大五十年,叱咤流行文化的天文工程明星,行将在球面射电镜里屈居老二了,它不仅输在尺寸,也在技术:采集数据太费劲。

  记得007和006悬空搏斗的那根大白棍吗?是阿雷西博早先的馈源,直接沿着焦线,不太好用,被换掉了:

  记得吊在科学女和宗教男身后的那个大穹顶吗?是阿雷西博后来的馈源舱,间接把焦线聚成焦点,好使,可有好几百吨重:

  接下来,就要说到“主动反射面”了:FAST的反射面能局部变形成抛面。

  这样,采集数据可轻松多了,大白棍和大穹顶都不需要,红顶小白盘就够,才30吨重。

  江山代有“大锅”出,风骚轮到FAST领。

  这次,本土科幻导演有福了,再向海外输出文化产品时,不愁没有狂拽炫酷的实景。

  带形射电望远镜

  如果不限于球面,确实还有比FAST更大的射电镜。

  它来自擅长气吞山河的前苏联:近九百块反射单元围成一个圈,加上复杂的馈源,构成了世界最大的单个儿射电望远镜。这就是前面说直径576米,在俄罗斯北高加索的RATAN-600:

  射电望远镜阵

  还有比FAST和RATAN-600更大的吗?不好说。

  如果你看过《终结者2018(Terminator Salvation)》,也许会对下面这个剿杀人类的天网基地眼熟。

  最炫出场,还是《超时空接触》,科学女收到外星人信号,纵身飚车时,背景上二十七架直径25米的抛面镜组成一个Y型阵,摇头晃脑,不时踩着21公里长的轨道雍容变阵,简直像十层楼高的机械百合花在集体散步:

  这就是叱咤流行文化的最大牌天文工程明星,美国新墨西哥的甚大阵(Very Large Array):

  这种阵,小到两亩三分地,大到纵横大洲,跨越大洋,浩浩汤汤,好看极了,前面说的几位抛面、球面大佬,还有南非和澳大利亚那个在建的平方公里阵(Square Kilometer Array),都是未来寰球望远镜网的一部分。

  但这毕竟是阵,和单个儿的比尺寸,没有意义,在分辨率和灵敏度上,各有优势。

  光学反射望远镜

  射电镜更像天线,像耳朵,光学镜则更像镜子,像眼睛。

  前面说直径10米的,是西班牙加那利群岛上的大加那利望远镜(Gran Telescopio Canarias)(见下图),而直径39米的,是智利阿塔卡马沙漠上的欧洲极大望远镜(European Extremely Large Telescope),都是反射镜,也分别是现有和在建的最大的光学望远镜。

  它们的镜面是由许多六边形的小镜拼起来的。

  有整块的吗?有!

  如果你看过国家地理频道的《极限维修大挑战》,可能还记得那块直径8.2米,厚才18厘米的大镜面,被小心翼翼地拆掉,运下山清洗,主持人说,一定要蒙好帆布再运啊,的确,不然阳光被这么大的凹面一聚焦,激光炮似的,天堂都要被烧化吧。

  这就是也在阿塔卡马的甚大镜(Very Large Telescope),一共四个反射镜,主要单个儿使,偶尔也组成阵:

  注意别搞混:甚大“阵”在美国,是射电镜;甚大“镜”在智利,是光学镜。

  光学折射望远镜

  那折射光学镜呢?这可说来话长。折射镜资历太老,是所有望远镜的祖宗,现在提得少了,可当年照样叱咤过:

  1673年,伟大的赫维留造了一架20厘米细,46米长的折射镜,跑道似的吊在27米高的桅杆上,吹口气儿就打晃儿(见左下图)。

  1686年,伟大的惠更斯兄弟造了一架22厘米细、64米长的折射镜,没有镜筒,物镜高悬树梢,目镜攥在手里,中间连着一根绷直的长绳,以助校正,看上去更像儿童锡罐电话,用于跟瞠目结舌的云彩聊天(见右下图)。

  够惊世骇俗吧?没有这些神经病似的狂想,哪儿来的现代科学啊。虽不能观,心向往之。

  天文望远镜旅行地图

  其它奇形怪状的望远镜还有的是:美国新泽西的号角天线(Horn Antenna)像个大耳朵,发现了宇宙微波背景辐射,也算射电镜:

  另有飞在平流层的索菲亚天文台(SOFIA)带了红外线镜(见左上图),趴在月亮上的嫦娥三号端着近紫外/光学反射镜(见右上图),飘在外太空的哈勃(Hubble)是光学反射镜(见左下图),埋在南极冰下分布一立方公里的冰立方(IceCube)是中微子望远镜(见右下图)……都太远了,高山仰止吧。

  游不在远,有心则灵。哪怕就在北京,在雾灵山脚啃着罐焖肘子,抹抹油嘴,望望山巅静若白鸽的郭守敬望远镜(LAMOST),也会刹那间尽褪红尘,一洗凡心吧?

  最后奉上的,是最迷人的:在一座小山顶,3吨水银被倾入一只巨盘,款款旋转,一个完美的液态抛面翩然出现,一个直径6米的金属池塘,终于映出了天顶的群星。

  这是加拿大不列颠哥伦比亚的液态望远镜:

  最后,总结本文所及大部分望远镜的地理位置:

  郑重提醒:

  天文望远镜观光,宜远观,不可亵玩,切忌干扰!

  看光学镜,关掉电筒!

  看射电镜,关掉手机!

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