世界最大:FAST望远镜在贵州落成启用,它能干嘛?

头条推送科普中国头条创作与推送项目头条创作与推送2016-09-27 08:43
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一口巨“锅”:2016年9月25日,位于中国贵州的500米口径球面射电望远镜(FAST)竣工典礼如期举行,这项历经十余年的大工程终于正式完成。作为目前世界上最大的单口径射电望远镜,FAST将为观测脉冲星——一种密度极高的天体提供一个绝佳的平台,在将来甚至可以通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波。FAST厉害在哪里?利用FAST检测引力波又是怎么一回事?科普中国头条创作与推送项目联合《环球科学》专访了在北京大学科维理天文与天体物理研究所研究脉冲星测时技术的“青年千人”研究员李柯伽,请他为我们解释了以上问题。

科普中国头条创作与推送项目&《环球科学》: FAST望远镜给我们的第一印象就是“大”,反射面口径对于望远镜的功能来说有多重要?FAST投入使用后,会给脉冲星测时研究带来哪些改进?

李柯伽:FAST的确优势就是大!一般来说,测量脉冲星到达时间的精度和反射面面积成反比。因此,如果口径大一倍,测量精度就能提高到原来的4倍。

目前国内脉冲星测时的主要望远镜是新疆南山25米射电望远镜和云南昆明的40米望远镜,这两个望远镜的测量精度并不足够用来探测引力波。 FAST的有效口径是300米,比新疆25米和云南40米要大很多, 理论上会比南山25米的测量脉冲星时间的精度提高140倍, 比云南昆明望远镜提高约50倍。 因此,FAST将有可能提供世界上最精确的脉冲星到达时间测量数据,极有可能在脉冲星测时阵列探测引力波上有重大突破。

科普中国头条创作与推送项目&《环球科学》:除了“大”以外,一台好的望远镜还需要哪些重要的特点或技术?FAST在这方面做得怎么样?

李柯伽:一个好的望远镜的另外几个指标是频率范围和天线效率。FAST本身的定位就是低频(3GHZ以下)的射电望远镜,而天线效率FAST在设计的频率范围内做得很好。

科普中国头条创作与推送项目&《环球科学》:今年年初,LIGO首次探测到双黑洞并合产生的引力波,也使“引力波”这个词火了一把,但探测引力波不仅有激光干涉测量一种方式。可以尽量简单形象地介绍一下您所研究的脉冲星测时阵(PTA)方法,以及利用FAST的射电观测,是如何通过脉冲星测时技术探测引力波的吗?

李柯伽:要谈引力波探测, 首先要明确引力波是什么。引力波是时空(时间和空间)上距离的波动。因此,引力波探测的目的就是测量时空上两个点间距离的周期性变化。

那么如何在时空上标定两个点呢?方法是用两个自由下落(不受除引力之外的任何力)的质点,把这两个点当作粘在时空上的两个小物体,再利用这两个质点的相对位置来探测时空距离的变化。

对于LIGO来说,这两个小物体是悬挂起来的两面镜子,在垂直于悬挂方向上,镜子不受力,这样通过激光干涉的办法来仔细测量两个镜子间距离的周期变化即可探测引力波。

脉冲星测时阵列探测引力波是类似的想法。这里自由下落的质点就是脉冲星本身,也即脉冲星就是标定时空的两个点。我们探测的是脉冲星发出的脉冲到达地球时间的周期变化。那么为什么不能只观测一颗脉冲星来探测引力波呢?因为对于一颗脉冲星而言,我们不知道探测的信号是脉冲星的噪声,还是其他的假信号。所以我们必须利用多颗脉冲星相关的方法,来寻找相关信号以区分引力波和噪声。

科普中国头条创作与推送项目&《环球科学》:脉冲星测时阵所测量的引力波和LIGO测量的引力波有何区别?

李柯伽:脉冲星测时阵列(PTA)探测的引力波目标和LIGO非常不一样。PTA探测的是星系中心的超大质量双黑洞系统发出的引力波,其周期是年的量级。而LIGO探测的引力波主要来源于恒星级黑洞的并合,周期是1/1000秒的量级。由于引力波源不一样,PTA可以进行探测的宇宙范围比LIGO要远得多。

科普中国头条创作与推送项目&《环球科学》:FAST是以一个特别大的反射面为主体的单口径望远镜。我们知道,建设大型射电望远镜还有另外一种方法,就是建设多个较小反射面的望远镜,组成一个阵列。这两种思路各有何优劣势?

李柯伽:单口径有以下几个优点:其一,适合探测性工作,如需要升级系统的电子设备,那么FAST只需要升级一套就可以了,而望远镜阵列却需要对所有的单元进行升级;其次,单口径望远镜保留了空间分辨率中较低分辨率的部分,能够观测延展性结构;此外,单口径望远镜数据处理较为简单,无较高的计算能力需求。

当然,和望远镜阵列相比,单口径望远镜也有一些劣势:其一,由于机械结构限制,单天线口径不能造太大,造大了频率范围就不会太高;此外,单口径望远镜的分辨率较低,排除射电干扰能力也较差。

科普中国头条创作与推送项目&《环球科学》:我们了解到,新疆也在建一个110米口径全可动射电望远镜(简称QTT)项目,它和目前刚刚主体落成的FAST项目功能有何异同?同是射电望远镜,为什么建了500米口径以后还要建110米口径的呢?

李柯伽:QTT和FAST实际上是互补的两个系统,技术特点和目的都与FAST不太一样。FAST由于接收面积大, 在相同频段必然要比QTT灵敏很多。 然而,QTT的定位是全可动的厘米波通用望远镜。因此可以看到的天区更广,例如可以对银河系中心进行观测;另外,QTT的工作频段要比FAST宽很多,可以观测到很多在FAST观测不到的频率范围,这对于脉冲星测量引力波的色散噪声改正非常重要,也可以有效地避免散射带来的效应。QTT的宽频段能力能够观测大量的无线电谱线,探索恒星形成、分子云等相关物理过程;QTT使用的反射面结构是可动的,这样有利于参加国际上其他射电望远镜组成的射电干涉仪,进行联测, 也有利于开展深空探索。

科普中国头条创作与推送项目&《环球科学》:中国这次建设的FAST可谓一鸣惊人,将国内最大射电望远镜的口径从几十米一下子提高到500米,也是世界最大。你认为建望远镜,是一下子就建一个大的好,还是从小到中到大逐步建设比较好?

李柯伽:建造望远镜无论大小,其实都各有优势。人类文明本身就是个妥协的结果,因此,建造望远镜是以综合国力为基础,以科研目标为导向,也涉及地缘政治/经济/文化建设等多方面考虑的后果。直接讨论”建造望远镜大还是小比较好“其实是个伪命题。从科学家的角度,我们考虑得更多的是:“造好了这个望远镜,对人类文明有没有突破性的推动?” FAST造好后是世界上最灵敏的分米波望远镜,而QTT造好后是世界上最灵敏的厘米波望远镜,各有用处,也都很有份量。

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