满招损，谦受益—谈谈FAST射电望远镜
中国成功建造世界最大射电望远镜的新闻令海内外华人莫不欢欣鼓舞之至。数月前，当500米直径的主反射镜拼装完工时，我在中国科学网发表了博文：那是一只望穿深空的天眼，我对中国工程技术飞速进步的由衷敬佩和对从事该项工程全体工作人员的深深敬意，全都倾注在了这篇短文之中。
但是，在这几天的一片欢呼声中，有一种倾向值得引起注意。有些媒体报导[1]：中国建最牛“天眼”领先国际20年；外国科学家参观后也感到很震撼，“他们都很期待我们这个全世界最先进的天文设备能成为人类观测外太空的利器，有新的科研成果出来。”；人们开始幻想，它能否听到“天外来客”的声音？我认为这样的报道违背了实事求是的原则，这种宣传手法有些像拙劣的整容手术，结果往往恰得其反，使原本光辉的印象蒙尘。我觉得有必要拂尘明镜，把事实真相还给大众。
射电望远镜和所有的望远镜一样，把远处相邻物体区分开来的能力是它最重要的性能指标。这种分辨本领一般用成像系统对两个可辨目标之间的最小张角来表示，亦称角分辨率。角分辨率不变，观察物越远，望远镜的最小分辨间距变大，所以当观察研究的天文对象越遥远，我们就必须使用角分辨率更小的射电望远镜，否则就无法得到研究对象的精细结构。通常情况下，望远镜的角分辨率基本上决定了其“望远”的本领。
物理学告诉我们光波就是波长较短的电磁波，因而射电望远镜和光学望远镜实际上就是同一类工具，它们检测的只是不同波长的电磁波。这有点像体温计和气温表，它们的差别就是测量温度的不同的区域而已，在下面的讨论中，除非特别注明，我们把射电和光学望远镜都统称为望远镜。望远镜的角分辨率是由电磁波在其aperture（或antenna dish）上的衍射特性决定的，它是可以根据瑞利公式计算出来的（参见图1）。望远镜的角分辨率与望远镜的主反射镜的直径成反比，而与工作的波长成正比，角分辨率越小越好。
P1)由于光的衍射特性的存在，导致点光源形成艾里斑，重叠以后就难以分辨。
贵州平塘的FAST，其硕大的主反射镜有效孔径为300米，工作波长在0.3m附近，而一般的光学望远镜工作波长在可见光波段，最长不会超过800nm (即0.0000008m），那么它与直径为多少的光学望远镜的角分辨率相当呢？这是一道小学生算术题，
（300/0.3）*0.0000008=0.0008m，答案是小于1毫米。这个结果令人十分伤心，市场上的大众化商业望远镜的孔径至少也有十几毫米吧。换言之，贵州平塘的FAST射电望远镜的角分辨率远不及业余爱好者的望远镜，想依靠它作出惊人的科学发现可能有点不切实际。
事实上FAST射电望远镜的角分辨率还不及我们人的肉眼，一般人眼的瞳孔直径为3—9毫米，人眼的角分辨率比FAST也要强几倍。顺便提一下，千万别小看了人眼的望远能力。著名天文学史家席泽宗先生指出:中国的天文学家甘德在公元前四世纪中叶凭肉眼可能就观测到了木星的卫星木卫二。甘德的发现早了伽利略近两千年，这可能也是一个奇迹吧[2]。
一般来说，射电望远镜的角分辨率都比较差，因为它的工作波长太长，即使把主反射镜做到几百米之巨，其角分辨率仍难以与光学望远镜媲美，但是我们知道反射镜表面的加工精度一般与工作波长同一量级，相比光学望远镜而言，射电望远镜的反射镜的制作要容易做得多，所以直径也容易做得很大。“有无相生,难易相成,长短相较,高下相倾”这世上实在也没有捷径可走的，总体而言，平衡和公平是天道的主旋律。
射电望远镜把工作波长设在厘米、毫米和亚毫米波段首先是为了天文研究的需要，许多温度不高的天体的电磁辐射就在这个波段。这个波段的电磁波的波长至少是可见光的数万倍，现代好一点的光学望远镜的主反射镜的直径都在数米以上，如果要让射电望远镜赶上这个角分辨率水准，其主反射镜的直径至少要数万米，即几十公里之巨。在工程上制造和控制这样的主反射镜已经成了不可能完成的任务，说得难听点，FAST这样的超大型单口径射电望远镜有些像侏罗纪的恐龙，它们未来的发展前途十分有限。
除了增大主反射镜的直径，改善射电望远镜的角分辨率是否还有其它途径？“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村。”七十年代由英国开始研制的综合孔径射电望远镜可以大幅提高系统的角分辨率和接收灵敏度。总的思路是“众人拾柴火焰高”，使用分散的多台射电望远镜同时接收射电信号，然后把信号汇总交计算机分析比较，产生高分辨率的天体射电幅射图象。这种发动群众、依靠群众的思维方式和处事原则才具有真正的普世价值。
ALMA（阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列望远镜）是世界上功能最强大、技术最先进的综合孔径射电望远镜系统。这个由欧洲、美国、加拿大、日本、智利等国家和地区合作建设的射电望远镜阵列共有54台12米直径和12台7米直径的射电望远镜组成，散布在南美智利的5千米的高原平台上。整个系统的建设化了十多年，总投资14亿美金，被誉为二十一世纪的金字塔工程。整个ALMA系统的角分辨率比哈勃太空光学望远镜还要强五倍！它的角分辨率比中国的FAST大概强数千倍。
图2这张ALMA的全景照十分震撼人心，这几十台既庞大又精密的射电望远镜散布在高原荒野之中，最大间距约十六公里。它们各自的位置可以根据研究项目作相应的调整。把ALMA放在南半球这块远离文明的5千米高原上是经过深思熟虑的。ALMA的工作波长在0.3—9毫米波段，从图3中可看出大气层对这个波段的电磁波的吸收和干涉十分严重。建在5千米高原的ALMA超越了大气层最紧密的底层，把大气的不利影响減至最少。智利查南托高原的阿塔卡马沙漠是世界上最干燥的地方，这样的地理位置意味着每个夜晚都是较好的观测天气。据统计，在1570至1971年间，这里没有明显的降雨过程，对望远镜的维护极为有利。
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P3)横轴是电磁波的波长，纵轴是大气层对电磁辐射的吸收率，曲线显示不同电磁辐射穿透大气能力与波长的关系。从图中可看出，中国FAST的工作波段处在大气层的电磁辐射窗口，因而可建在较低的海拔高度上，而工作在毫米和亚毫米波段的ALMA必须建在高海拔地区。
ALMA选址在远离文明的智利高原上也可避开人为的电磁辐射污染。建在南半球的天文站有得天独厚的视角优势，它更利于对银河系核心区域的观察研究。当然，相对稳定的政治环境，也是ALMA选择智利的一个重要原因。智利对ALMA项目最为关注起劲，大概也是整个计划最大的蠃家。
在接近西藏的唐古拉山口高度的那块荒原上，在南半球离天最近的地方，建设一座规模如此巨大的射电望远镜阵列必定面临一系列工程挑战。整个项目的管理和技术中心设在海拔2900米，所有的设备先汇集于此，经装配调试后再运送至5千米的高原平台（见图4）。直径12米的射电望远镜连支架和附属设备每台重一百吨！为此由德国的专业设备公司设计了特种的高原重载车辆，这些车辆不仅用以输送射电望远镜到5千米的高原平台，而且也负责在整个阵列系统中调整和变换每个射电望远镜的精确位置（见图5）。图片6显示的就是特种运输车辆驮载着百吨重的射电望远镜在亘古的旷野上艰难地往上挺进，看着这张照片，我为人类探索大自然的不屈不挠的精神深深地感动。
P4)
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由天线阵列的信息理论可知，如果分布在高原上的ALMA系统中所有射电望远镜都对准同一片星空，每台射电望远镜收到磁辐射信号后先作预处理，讯号经数字化后由光纤送至海拔2900米处的技术中心。各路讯号汇总后送大型计算中心处理（图片7），那么经傅里叶变换后即可直接得到天体的电磁辐射图象[3]。对综合孔径和单口径射电望远镜都看得见的天体而言，在每个单口径射电望远镜所观测到的光斑内，综合孔径射电望远镜都能给出－幅精细結构图像，这是单口径射电望远镜完全无能为力的。
P7)
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ALMA投入运行两年多，已经产生了一批重大成果，它必将会对天文物理的研究产生难以估量的贡献[4]。这里是ALMA在今年九月发布的最新图片（图片8），在非常年轻的恒星（TW Hydrae）的四周的星尘环中间有明显的间隙，在靠近中心的轨道中很可能有一颗海王星大小的系外行星，而且很可能是与海王星一样的巨大的冰球体，这个发现对认识行星生成机制将会有深远的影响[5]。
作个小结：
1）综合孔径射电望远镜是射电天文观测技术发展的主流，它们才是天文物理研究的利器。
2）“尺有所短寸有所长”，综合孔径射电望远镜技术也并非完美无缺，单口径射电望远镜也不是一无长处，也许不久的将来它们可以联网合作，优势互补。
3）中国的500米单口径射电望远镜具有极高的灵敏度，由于采用多波束扫描，巡天速度效率高，它工作在厘米波段，受大气干涉影响小，它可能会在一些特定的天文研究领域中发挥积极作用。
4）近日看到有这样的评论：FAST的高灵敏度使其能测到一个人在月球上打手机的信号。我们不仿就此作些估算。 假定手机信号frequency是2GHz，它的波长约是15cm，相应的FAST的角分辨率约为0.15／300＝0.0005 弧度，以此乘以地月之间的距离38万公里，不难得出0.0005 ＊380000=190公里 。 这結果指出如果有两个以上的人在190公里的范围内从月球上打手机，FAST测到的信号是无法区分到底是一个还是多个人在打手机的。
5）事实上，中国参与并主导的国际SKA项目就是要建设世界最大的综合孔径射电望远镜系统，这方面中国也有长足的进步，只是少为人知而已。综合孔径射电望远镜的基础是电动力学和信号处理技术，中国不缺这方面的人才和经验，我对SKA项目的未来充满信心。
由于篇幅关系，对以上几点结论的详细介绍和分析将放在本文的续篇中。也希望有兴趣和有一定理工基础的读者能辛苦一下，读一读本文的附件[3]，它是续篇所有分析和讨论的基础。这个附件是我的好友王博士特地为本文精心制作的。为了更好更全面地理解综合孔径射电望远镜，我曾向王博士多次讨教，在学习和讨论中产生了几十页之多的草稿，最后几经修改，遂成此附件。该文从电动力学最基本的概念出发，导出了综合孔径射电望远镜的工作原理，文章推理严谨、文字简明扼要，综观各种教科书和网上文献无出其右了。谨此对好友王博士表示深深的感谢。
本文是应【观察者网】约稿而作，首发于观察者网9月25日首页。
[1]http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/8/353470.shtm
[2]Zezong, Xi, "The Discovery of Jupiter's Satellite Made by Gan De 2000 years Before Galileo", Chinese Physics 2 (3) (1982): 664–67.
感谢史????雷博主和 Spherical 的评论和批评。
添加一篇重要文献：中科院自然科学史研究所刘金沂在1981年第7期《自然杂志》发表了《木卫的肉眼观测》。
文中提到的木卫二更可能是木卫三。
[3]插入附件 radio interferometry.pdf
[4]http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases
[5]Astronomers found a sign of a growing planet around TW Hydra, a nearby young star, using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Based on the distance from the central star and distribution of tiny dust grains, the baby planet is estimated to be an icy giant, similar to Uranus and Neptune in Solar System. This result is another step for understanding the origins of various types of planets.
