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一口巨“鍋”：2016年9月25日，位于中國貴州的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）竣工典禮如期舉行，這項歷經十余年的大工程終于正式完成。作為目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡，FAST將為觀測脈沖星——一種密度極高的天體提供一個絕佳的平臺，在將來甚至可以通過精確測定脈沖星到達時間來檢測引力波。FAST厲害在哪里？利用FAST檢測引力波又是怎么一回事？科普中國頭條創作與推送項目聯合《環球科學》專訪了在北京大學科維理天文與天體物理研究所研究脈沖星測時技術的“青年千人”研究員李柯伽，請他為我們解釋了以上問題。科普中國頭條創作與推送項目&《環球科學》： FAST望遠鏡給我們的第一印象就是“大”，反射面口徑對于望遠鏡的功能來說有多重要？FAST投入使用后，會給脈沖星測時研究帶來哪些改進？李柯伽：FAST的確優勢就是大！一般來說，測量脈沖星到達時間的精度和反射面面積成反比。因此，如果口徑大一倍，測量精度就能提高到原來的4倍。目前國內脈沖星測時的主要望遠鏡是新疆南山25米射電望遠鏡和云南昆明的40米望遠鏡，這兩個望遠鏡的測量精度并不足夠用來探測引力波。 FAST的有效口徑是300米，比新疆25米和云南40米要大很多， 理論上會比南山25米的測量脈沖星時間的精度提高140倍， 比云南昆明望遠鏡提高約50倍。 因此，FAST將有可能提供世界上最精確的脈沖星到達時間測量數據，極有可能在脈沖星測時陣列探測引力波上有重大突破。科普中國頭條創作與推送項目&《環球科學》：除了“大”以外，一臺好的望遠鏡還需要哪些重要的特點或技術？FAST在這方面做得怎么樣？李柯伽：一個好的望遠鏡的另外幾個指標是頻率范圍和天線效率。FAST本身的定位就是低頻（3GHZ以下）的射電望遠鏡，而天線效率FAST在設計的頻率范圍內做得很好。科普中國頭條創作與推送項目&《環球科學》：今年年初，LIGO首次探測到雙黑洞并合產生的引力波，也使“引力波”這個詞火了一把，但探測引力波不僅有激光干涉測量一種方式。可以盡量簡單形象地介紹一下您所研究的脈沖星測時陣（PTA）方法，以及利用FAST的射電觀測，是如何通過脈沖星測時技術探測引力波的嗎？李柯伽：要談引力波探測， 首先要明確引力波是什么。引力波是時空（時間和空間）上距離的波動。因此，引力波探測的目的就是測量時空上兩個點間距離的周期性變化。那么如何在時空上標定兩個點呢？方法是用兩個自由下落（不受除引力之外的任何力）的質點，把這兩個點當作粘在時空上的兩個小物體，再利用這兩個質點的相對位置來探測時空距離的變化。對于LIGO來說，這兩個小物體是懸掛起來的兩面鏡子，在垂直于懸掛方向上，鏡子不受力，這樣通過激光干涉的辦法來仔細測量兩個鏡子間距離的周期變化即可探測引力波。脈沖星測時陣列探測引力波是類似的想法。這里自由下落的質點就是脈沖星本身，也即脈沖星就是標定時空的兩個點。我們探測的是脈沖星發出的脈沖到達地球時間的周期變化。那么為什么不能只觀測一顆脈沖星來探測引力波呢？因為對于一顆脈沖星而言，我們不知道探測的信號是脈沖星的噪聲，還是其他的假信號。所以我們必須利用多顆脈沖星相關的方法，來尋找相關信號以區分引力波和噪聲。科普中國頭條創作與推送項目&《環球科學》：脈沖星測時陣所測量的引力波和LIGO測量的引力波有何區別？李柯伽：脈沖星測時陣列（PTA）探測的引力波目標和LIGO非常不一樣。PTA探測的是星系中心的超大質量雙黑洞系統發出的引力波，其周期是年的量級。而LIGO探測的引力波主要來源于恒星級黑洞的并合，周期是1/1000秒的量級。由于引力波源不一樣，PTA可以進行探測的宇宙范圍比LIGO要遠得多。科普中國頭條創作與推送項目&《環球科學》：FAST是以一個特別大的反射面為主體的單口徑望遠鏡。我們知道，建設大型射電望遠鏡還有另外一種方法，就是建設多個較小反射面的望遠鏡，組成一個陣列。這兩種思路各有何優劣勢？李柯伽：單口徑有以下幾個優點：其一，適合探測性工作，如需要升級系統的電子設備，那么FAST只需要升級一套就可以了，而望遠鏡陣列卻需要對所有的單元進行升級；其次，單口徑望遠鏡保留了空間分辨率中較低分辨率的部分，能夠觀測延展性結構；此外，單口徑望遠鏡數據處理較為簡單，無較高的計算能力需求。當然，和望遠鏡陣列相比，單口徑望遠鏡也有一些劣勢：其一，由于機械結構限制，單天線口徑不能造太大，造大了頻率范圍就不會太高；此外，單口徑望遠鏡的分辨率較低，排除射電干擾能力也較差。科普中國頭條創作與推送項目&《環球科學》：我們了解到，新疆也在建一個110米口徑全可動射電望遠鏡（簡稱QTT）項目，它和目前剛剛主體落成的FAST項目功能有何異同？同是射電望遠鏡，為什么建了500米口徑以后還要建110米口徑的呢？李柯伽：QTT和FAST實際上是互補的兩個系統，技術特點和目的都與FAST不太一樣。FAST由于接收面積大， 在相同頻段必然要比QTT靈敏很多。 然而，QTT的定位是全可動的厘米波通用望遠鏡。因此可以看到的天區更廣，例如可以對銀河系中心進行觀測；另外，QTT的工作頻段要比FAST寬很多，可以觀測到很多在FAST觀測不到的頻率范圍，這對于脈沖星測量引力波的色散噪聲改正非常重要，也可以有效地避免散射帶來的效應。QTT的寬頻段能力能夠觀測大量的無線電譜線，探索恒星形成、分子云等相關物理過程；QTT使用的反射面結構是可動的，這樣有利于參加國際上其他射電望遠鏡組成的射電干涉儀，進行聯測， 也有利于開展深空探索。科普中國頭條創作與推送項目&《環球科學》：中國這次建設的FAST可謂一鳴驚人，將國內最大射電望遠鏡的口徑從幾十米一下子提高到500米，也是世界最大。你認為建望遠鏡，是一下子就建一個大的好，還是從小到中到大逐步建設比較好？李柯伽：建造望遠鏡無論大小，其實都各有優勢。人類文明本身就是個妥協的結果，因此，建造望遠鏡是以綜合國力為基礎，以科研目標為導向，也涉及地緣政治/經濟/文化建設等多方面考慮的后果。直接討論”建造望遠鏡大還是小比較好“其實是個偽命題。從科學家的角度，我們考慮得更多的是：“造好了這個望遠鏡，對人類文明有沒有突破性的推動？” FAST造好后是世界上最靈敏的分米波望遠鏡，而QTT造好后是世界上最靈敏的厘米波望遠鏡，各有用處，也都很有份量。轉載請注明來自“科普中國”。