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说说那些奇形怪状的天文望远镜:FAST是最大的吗

2017-09-13 11:09:41 阅读：7662+ 来源：新浪科技 作者：于娜

　　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：