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中国天眼FAST明年搜寻外星人 总工称准备好了

2018-12-04 01:04:48   来源:科技生活在线   评论:0   [收藏]   [评论]
导读:小编按:作为FAST工程台址与观测基地系统总工程师,朱博勤说,寻找外星人首先应该在银河系周围内进行,银河系有诸如火星、土星、木星等类似地球的不少行星,这些行星环境或许能孕育生命。

  在贵州省地质科技园5号楼7楼会议室,朱博勤通过投影仪,向红星新闻记者介绍了如何通过“中国天眼”寻找外星人。

  “中国天眼”,500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,简称FAST),将于明年接受国家验收,并开始搜寻外星人。

  作为FAST工程台址与观测基地系统总工程师,朱博勤说,寻找外星人首先应该在银河系周围内进行,银河系有诸如火星、土星、木星等类似地球的不少行星,这些行星环境或许能孕育生命,“外星人可能就生活在太阳系周围的某颗行星上”。

  外星人存在吗?

  数千年来,人类仰首苍穹,试图弄清楚自己是否是宇宙中惟一的智慧生命。

  自1960年起,人类发射了数十艘火星探测船,其中,美国的瓦伊金1号探测船,曾传回一张类似人脸的照片,让科学家大为震惊,这是不是火星人根据自己长相,打造出的雕像。

  火星,可能是与地球最为相似的星球,有大气层和季节更替,不过火星空气稀薄,只有地球海平面空气的1%。由于火星的大气层太薄,小行星频繁撞击火星表面,砂石遍布,在暴风下刮起沙尘暴,吞噬着整个星球。

  但这并不代表火星没有生物。在数十年前,人类认为地球的存在是独一无二的,这也是我们至今所知惟一孕育了生命,演化出数百万物种的星球。由于拥有充足的阳光,温暖的水域,以及保护地球的大气层,我们自然认为这些都是生命存在不可或缺的条件,这就排除了太阳系其它已知星球生命存在的可能。

  后来,生物学家开始探索地球最黑暗、最寒冷的地方,意外发现了活跃的生物,生物学家称之为嗜极生物。有些嗜极生物,无需光线、氧气却生机勃勃,而有些嗜极生物,则生活在巨大的大气压力之下。有科学家曾断言南极洲这片万里冰封的荒芜大地不会有生物,但在1999年,一组探险家挖出冰层下方2公尺处的岩石,敲开后发现岩石中竟然有一大群微生物。

  这些微生物在零下56度、坚冰下方两公尺深处,找到了栖息之地。

  外星人的坚韧,也许远远超过我们的想象,他们或许能在环境极端恶劣的土地上生存。但到目前为止,人类还没有发现外星人的蛛丝马迹。

  不过,寻找外星人,人类并未停止。

  朱博勤说,在广阔无垠的宇宙中,应该有类似地球人类的外星人存在,也许他们跟地球人一样,已经演化到同等文明,暗藏在某颗我们已知或未知的星球上。亦或许,他们跟人类一样,正四处寻找其它星球的外星人,他们中的某些人,也可能像地球人类一样仰首苍穹,盯着星空,心中自问,宇宙中是否还有其它生物?

  外星人长啥样?

  根据科学家推断,地球形成于46亿年前。地球诞生之初,跟其它行星一样死寂,但在其诞生后的10亿年间,地球遭到宇宙残骸猛烈撞击,地球表面在冲击下,变成炙热滚烫的地狱,毫无生命迹象,但在太阳系稳定后,地球开始冷却,也出现了水,生命的舞台就此打造完成。

  在生命的初始,我们都曾是嗜极生物,地球人类亦然。早在1953年,美国研究员斯坦利米勒,通过一个实验证明了地球生命的简单起点,他在水中加入早期地球的大气成分氢、甲烷和氨,利用电击的方式在溶液中通电,模拟闪电的发生,实验结果得出了一种叫氨基酸的有机分子,这是所有生物的蛋白元素。

  如果闪电启动了地球生命的演化,那么,在其它星球上,是否也是如此?

  朱博勤说,人类的出现,在地球只是一个很短的时间段,如果把地球形成的时间压缩成一天,人类出现只是在凌晨的一分十几秒。人类通过不断演化,才有了今天的现代文明。

  任何生物的起源,或许与地球生物都极为相似,甚至连演化的进程也相似,“他们也许还处于人类演化的初期,或者已经演化到跟地球人类同等文明甚至更高”。

  外星人究竟长什么样,有没有来过地球?

  朱博勤对此回应称,地球之外有没有外星人,目前还没有定论。就算另一个星系上有生物,他们的生命演化过程也许不是地球的生命演化过程这样,所以没人知道他们长什么样子,“不过,我想外星人长相应该跟地球人类相似,有头、脸手和脚。”

  说起生命演化,朱博勤回忆起上中学时老师说过的一个细节:由于现在的人用脑过多,四肢已经开始退化,不如祖先那么强壮有力,人类再往前进化,就会变成头大、四肢小、臀部大。

  朱博勤认同老师的这个观点,他说从进化论的角度,使用的东西就进化,不使用就废掉,“外星人的演化,应该也是这样,如果他们已经演化到比人类还高级的程度,肯定也是头大、四肢小、臀部大。”

  “天眼”能发现外星人吗?

  搜寻外星人,“中国天眼”已经准备好了。

  朱博勤告诉红星新闻记者,FAST调试运行两年来,已经发现62颗脉冲星后选体,被证实的有54颗。脉冲星是旋转的中子星,1967年首次被发现。科学家认为这是一种未知的天体,因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号,因此就把它命名为脉冲星。脉冲星的自转周期极其稳定,成为人类测量宇宙时空的超高精准度时钟。例如,在地球上开车,依靠天上的卫星给出定位,而宇宙浩瀚,一旦飞船飞进宇宙深处,望远镜、卫星不能直接观测时,就需要依靠脉冲星提供的准确时间,测算出某时某刻飞船抵达了什么位置。

  处于调试中的FAST,在两年的时间里发现54颗脉冲星,说明FAST的调试进展非常优秀,另一个重大意义是为后续的天文观测提供了信心。朱博勤说,FAST预计在明年上半年前接受国家验收。“中国天眼”的三大科学目标,是脉冲星、星际导航、中性氢,通过国家验收后,FAST的另外一个科学目标,是展开向全宇宙搜寻外星人。

  “中国天眼”能帮助人类找到外星人吗?不少人对此提出质疑,毕竟在FAST之前,有不少国家也使用过天文望远镜搜寻过外星人。

  据纪录片《太空探秘:寻找外星人》中介绍,人类历史上第一次有计划地搜寻地外文明,始于1960年的奥兹玛计划以及第二期奥兹玛计划,该计划利用比较小的射电望远镜在21厘米波段,对662颗离地球较近的类太阳恒星进行监测,希图接收到地外文明发来的无线电波信号,没有成功。

  1964年,美国阿雷西博射电望远镜建成后,科学家又利用这个望远镜对100光年以内的800多颗类太阳恒星进行监测,结果还是一无所获。

  为了主动与地外文明联系,1974年,为庆祝阿雷西博射电望远镜完成改建,科学家创作了一份无线电信息,并以距离地球25000光年的球状星团M13为目标,把信息透过该望远镜射向太空。该信息共有1679个二进制数字,告诉智能生物,关于太阳系,氢、碳、氮、氧、磷五种重要元素,人类生命、人体形状和高度、地球上的人口等信息。

  这份信息用二进制的系列脉冲编写而成,以每秒10个字的速度发出,它以光速传播,达到目的地要2400年,如果收到后立即给我们回电,地球人要在4800年以后才能收到。

  朱博勤说,相比阿雷西博射电望远镜,FAST的面积更大(前者350米,后者500米),而且灵敏度更高,“天眼”能接收到137亿光年以外的电磁信号,观测范围可到达宇宙的边缘。如果宇宙真有高度文明智慧的外星生物,他们也会像人类一样,四处寻找并发射电磁波信号,“如果有同样的地外文明给地球发信号,FAST更容易收到,因为FAST拥有地球上最大的接收面积。”

  朱博勤说,人类对外星人充满期许,科学家现在已经有甄别地外文明发送信息的能力,并把这些信息解开,“一切都准备好了,静候佳音吧”。

  科学家们认为,在不久的将来,地球人类将见到外星表亲。(红星新闻)
 

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  天眼竟不如人眼?通过FAST,我们能看到什么

  FAST,也叫做天眼,全称是500米口径球面射电望远镜。

  所谓射电,就是来自宇宙的无线电。如果不好理解什么是射电望远镜,就把射电望远镜理解为大号的电视天线好了,只不过射电望远镜有可能接收到“外星文明”的电视信号。

  它是坐落于我国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村的一台射电望远镜,全称是500米口径球面射电望远镜。

  这一句话里的信息量是不是有点大?容我慢慢道来。

  先看到FAST所在的地方。平塘县,大家是不是之前都没怎么听过这个地方?这是贵州省一个相对比较偏远的地方。

  为什么要把FAST建在一个偏远的地方呢?

  有几个原因,容易想到的是,偏远的地方人类活动少,对望远镜观测的干扰少。在望远镜选址的时候,FAST周围的电磁干扰确实少。

  不过考虑到FAST周边城镇的高速发展,现在FAST的电磁环境保护也面临比较大的压力。把FAST建在这个地方的另一个原因就是这里的喀斯特地形。

  如果大家到过贵州省的这一片地区,你们会发现这里有很多洼地,而且很多都接近一个球冠,如果把一个球面望远镜放到这些洼地里,形状差不多刚刚好,不用挖太多的土石方,这对应一个工程来说非常重要。

  另一方面,如果大家到过这个地区,你们会发现,虽然这里雨水很多,但是地面上几乎没有河和湖,水都在地下河里,基本上下多大的雨,洼地里也不会积水,这对于望远镜的安全运行非常重要。

  为了让大家有个直观印象,我们来看看建在北京以及弃用的FAST缩尺模型,几年没有维护,下面的坑里已经有几米深的积水了。

  而在卡斯特地区,这种事情几乎不会发生。

  把一个五百米口径的球面反射面放到一个卡斯特洼地里是不是就可以了?不是,如果要实现聚焦,我们必须想一些办法。

  我们知道抛物面可以将平行光聚焦。来看一段抛物面聚焦的视频。那么抛物面是不是必须的,是也不是。

  美国的Arecibo望远镜也座落在喀斯特洼地里,也是球面,实现了聚焦,但是通过复杂的光路实现的。这带来的问题是支撑馈源舱的平台很大、很重。

  放大到FAST这样的尺度,这个平台的重量会达到一万吨,这是不太现实的。所以FAST的聚焦需要抛物面。为了实现这一点,FAST的反射面必须主动变形。

  这是FAST的光路图,在观测的时候,使用下拉索调整口径300米区域的一部分反射面单元,可以形成一个抛物面,观测不同方向的源,使相应区域的反射面变形为抛物面。

  同时,馈源舱携带馈源在焦面上运动,保证相位中心总是处于抛物面焦点。

  信号聚焦之后,由接收机接收,转换为数字信号进行处理。由于望远镜和观测室距离超过一千米,为保证衰减较小,信号是通过光纤传输的。FAST目前有七套接收机,覆盖了70MHz-3 GHz频段。

  其中超宽带接收机和多波束接收机是两台进行了试观测,取得了观测成果的接收机。左边是超宽带接收机,右边是多波束接收机。

  一台望远镜能观测什么,取决于和观测有关的一些因素。其中包括但不限于灵敏度、空间分辨率、时间分辨率、频率分辨率、带宽、积分时间、地理位置、天顶角、人力及思想(Human bandwidth)。

  抛开积分时间、带宽等因素,评价一台望远镜的本征灵敏度可以用有效接收面积除以系统温度。

  所以要想本征灵敏度高,有效接收面积要大,系统温度要低。

  一度,我们对FAST的这个指标没有信心,觉得大概达到1600平方米每开尔文都很困难。

  但现在看来2000平方米每开尔文是可以达到的。有效接收面积当然不能增大,主要是系统温度降低了,近年来,世界上的接收机技术进步了。

  使用19波束接收机,FAST的系统温度大约为20K,这就到达了2000平方米每开尔文。FAST在1.4GHz的波束宽度是2.9角分,满月的宽度是30角分,人眼的分辨率大约是0.3角分。

  所以从看清楚的角度来说,FAST不如人眼,不过已经很不错了,很多射电望远镜看月亮都只是一个点。

  关于时间分辨率,由于FAST是数字采样,可以很高,首先的限制是时间宽度和频率宽度之间的不确定关系,这是傅里叶变换的性质造成的。

  目前为了探测毫秒脉冲星,时间分辨率设为几十微秒。关于频率分辨率,参考时间分辨率,也要满足不确定关系。

  为了搜索外星文明信号,最高频率分辨率为5Hz。对应0.001km/s的视向速度分辨率。

  另外,FAST位于北纬25.6度,可观测天顶角40度,不过,由于地球转动,FAST可观测天区可不是一个椎体!

  还有一个因素,经常被忽视,就是人和思想。望远镜能观测什么,自身因素固然重要,但如果人不能把望远镜用好,那望远镜能做的事也很有限。

  为了回答FAST能看点啥?我们先来看看历史上,射电望远镜都看了点啥。

  这是公认射电望远镜做出的比较重要的成果。先看最后一列,是否预期之中?几乎全是没有预期到。好在还有一两个预期到的。要不然大家就可以不用听下去了。

  来看看口径和FAST最接近的Arecibo望远镜做出了哪些发现。有一些是通过雷达的办法实现的,相当于发出了一束光,把要看的目标照亮了然后再看。其他发现包括超脉泽(也就是微波激光)、中性氢成图、脉冲双星、毫秒脉冲星。总结起来,脉冲星、中性氢、分子谱线。

  这也正是FAST三个重要的科学目标。

  虽然根据历史经验,重要的发现通常是未知的未知,但是我们能做的还是从已知的未知开始。我们知道FAST能观测的科学目标有银河系内的中性氢、银河系外其他星系中的中性氢、脉冲星、分子谱线、快速射电暴、外星文明、以及未知的未知。

  顺便插一句,前面提到射电望远镜就是天线,所以广播电视天线能收到的,射电望远镜也有可能能收到。下面来具体看一下这些科学目标。

  氢是原子量最小的元素,也是宇宙中最丰富的元素,所以,氢可以用来观测星系的结构,当然包括银河系的结构。氢有各种存在形式,我们关心的是基态的中性原子氢,称为中性氢。

  中性氢会发出波长为21厘米的谱线,频率1420MHz,在FAST频段之内,所以是FAST的一个重要观测目标。

  宇宙中中性氢虽然多,但很多情况下是稀薄的,意思是,如果我们把每个氢原子想象为发光小球,这些小球是互不遮挡的,那么根据接收到的光的强度,就可以推测有多少个发光小球,也就可以测量中性氢的质量了。

  现在已经有对银河系及附近中性氢分布的成图。从图中可以看到银河系、大小麦哲伦云(两个银河系附近的矮星系)。FAST可以对部分天区进行更细致的观测,帮助我们看得更清楚,看到更多结构。

  河外星系中的中性氢可以示踪一些可见光看不见的结构,比如图中的潮汐作用造成的尾巴。中性氢还可以看到可见光看不到的星系间的相互作用。

  银河系和河外星系里还有一些别的谱线,比如河外星系中的脉泽,也就是微波波段的激光。

  激光的特点是什么?在这里,最有用的特点就是亮和单色性好。亮,使得我们可以测量距离很远的源。单色性好,使得我们可以精确测量星系的红移。

  脉冲星是一种发出周期性脉冲的天体。这种周期性是由于转动造成的,类似于灯塔,就是这个样子,是不是很像?大部分脉冲星发出射电脉冲,可以用FAST观测。

  把脉冲星的信号放到相位-频率图上是这样的,其中可以把相位简单理解为时间。能看到什么?高频信号先到,低频信号后到,高频信号传播速度快。

  射电波在星际介质中传播的时候就是高频速度快。时间延迟和频率的关系是已知的,所以可以改正时间延迟,把不同频率的脉冲对齐。然后把不同频率的脉冲加起来,就可以得到我们通常理解的脉冲了。

  简单说,这就是搜寻脉冲星的过程。不过通常脉冲星很弱,在前两幅图中是看不到什么明显信号的,这也是脉冲星搜索的难度所在。这是FAST发现的一颗毫秒脉冲星。现在FAST已经发现了五十多颗脉冲星了。或许未来我们能确定快速射电暴的来源,也或许能发现脉冲星和黑洞组成的双星系统,这些都算是已知的未知。

  自然的信号通常是简单优雅的,各种调制信号通常是人为造成的。不知道外星文明是不是也像我们一样对信号进行各种调制,大概率是的。所以外星文明搜寻将面对人工调制+星际介质调制的信号,这是未来要解决的问题。(文汇报)

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