“中國天眼”FAST能和外星人聯絡上嗎
500米口徑球面射電望遠鏡簡稱FAST，位於貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮大窩凼的喀斯特窪坑中，工程為國家重大科技基礎設施，“天眼”工程由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。下面是小編為大家整理的“中國天眼”FAST能和外星人聯絡上嗎，僅供參考，歡迎閱讀。
1.“中國天眼”（FAST）開放
中國天眼的500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST）將於 2021年4月1日正式對全球科學界開放。坐落於我國貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村的一臺射電望遠鏡
國家天文臺“中國天眼”執行和發展中心釋出訊息，自4月1日起，各國科學家可以透過線上方式向國家天文臺提交觀測申請，申請的專案將交由“中國天眼”科學委員會和時間分配委員會進行評審、提出專案遴選建議，並於8月1日起分配觀測時間。
據總工程師姜鵬介紹，面向全球科學界開放的第一年，預計分配給國外科學家的觀測時間約佔10%。
“中國天眼”已確立多個優先和重大專案，其中包括多科學目標漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈衝星測時、快速射電暴觀測等。截止到目前為止，FAST已經探測到了幾十顆優質脈衝星候選體，其中還包括很多從未被發現的脈衝星。
受颶風等自然災害及零部件老化等多重因素的影響，曾是全球第二大天眼的美國阿雷西博射電望遠鏡於2020年12月1號發生坍塌，球形反射面被毀。此後美國官方證實該望遠鏡將退役（作為世界第一個大型球面射電望遠鏡阿雷西博曾取得許多重大科學發現，也在眾多電影中出鏡，另文介紹），這也意味著地球只剩唯一一隻天眼——“中國天眼”。
此圖為阿雷西博
“中國天眼”於2020年1月11日正式開放執行。在中科院國家天文臺主導建設之初，即確立了“中國天眼”將按國際慣例逐步開放的原則，以更好地發揮其科學效能，促進重大科學成果產出，為全人類探索和認識宇宙作出貢獻。
2.FAST有什麼功能
先看到FAST所在的地方。平塘縣，大家是不是之前都沒怎麼聽過這個地方？這是貴州省一個相對比較偏遠的地方。為什麼要把FAST建在一個偏遠的地方呢？有幾個原因，容易想到的是，偏遠的地方人類活動少，對望遠鏡觀測的干擾少。在望遠鏡選址的時候，FAST周圍的電磁干擾確實少。不過考慮到FAST周邊城鎮的高速發展，現在FAST的電磁環境保護也面臨比較大的壓力。把FAST建在這個地方的另一個原因就是這裡的喀斯特地形。如果大家到過貴州省的這一片地區，你們會發現這裡有很多窪地，而且很多都接近一個球冠，如果把一個球面望遠鏡放到這些窪地裡，形狀差不多剛剛好，不用挖太多的土石方，這對應一個工程來說非常重要。另一方面，如果大家到過這個地區，你們會發現，雖然這裡雨水很多，但是地面上幾乎沒有河和湖，水都在地下河裡，基本上下多大的雨，窪地裡也不會積水，這對於望遠鏡的安全執行非常重要。為了讓大家有個直觀印象，我們來看看建在北京已經棄用的FAST縮尺模型，幾年沒有維護，下面的坑裡已經有幾米深的積水了。而在卡斯特地區，這種事情幾乎不會發生。
圖2.密雲模型下面已經有好幾米的積水了
把一個五百米口徑的球面反射面放到一個卡斯特窪地裡是不是就可以了？不是，如果要實現聚焦，我們必須想一些辦法。我們知道拋物面可以將平行光聚焦。來看一段拋物面聚焦的影片。那麼拋物面是不是必須的，是也不是。美國的Arecibo望遠鏡也座落在喀斯特窪地裡，也是球面，實現了聚焦，但是透過複雜的光路實現的。這帶來的問題是支撐饋源艙的平臺很大、很重。放大到FAST這樣的尺度，這個平臺的重量會達到一萬噸，這是不太現實的。所以FAST的聚焦需要拋物面。為了實現這一點，FAST的反射面必須主動變形。這是FAST的光路圖，在觀測的時候，使用下拉索調整口徑300米區域的一部分反射面單元，可以形成一個拋物面，觀測不同方向的源，使相應區域的反射面變形為拋物面。同時，饋源艙攜帶饋源在焦面上運動，保證相位中心總是處於拋物面焦點。
訊號聚焦之後，由接收機接收，轉換為數字訊號進行處理。由於望遠鏡和觀測室距離超過一千米，為保證衰減較小，訊號是透過光纖傳輸的。FAST目前有七套接收機，覆蓋了70 MHz-3 GHz頻段。其中超寬頻接收機和多波束接收機是兩臺進行了試觀測，取得了觀測成果的接收機。左邊是超寬頻接收機，右邊是多波束接收機。
一臺望遠鏡能觀測什麼，取決於和觀測有關的一些因素。其中包括但不限於靈敏度、空間解析度、時間解析度、頻率解析度、頻寬、積分時間、地理位置、天頂角、人力及思想（Human bandwidth）。拋開積分時間、頻寬等因素，評價一臺望遠鏡的本徵靈敏度可以用有效接收面積除以系統溫度。所以要想本徵靈敏度高，有效接收面積要大，系統溫度要低。一度，我們對FAST的這個指標沒有信心，覺得大概達到1600平方米每開爾文都很困難。但現在看來2000平方米每開爾文是可以達到的。有效接收面積當然不能增大，主要是系統溫度降低了，近年來，世界上的接收機技術進步了。使用19波束接收機，FAST的系統溫度大約為20K，這就到達了2000平方米每開爾文。FAST在1.4 GHz的波束寬度是2.9角分，滿月的寬度是30角分，人眼的解析度大約是0.3角分。所以從看清楚的角度來說，FAST不如人眼，不過已經很不錯了，很多射電望遠鏡看月亮都只是一個點。關於時間解析度，由於FAST是數字取樣，可以很高，首先的限制是時間寬度和頻率寬度之間的不確定關係，這是傅立葉變換的性質造成的。目前為了探測毫秒脈衝星，時間解析度設為幾十微秒。關於頻率解析度，參考時間解析度，也要滿足不確定關係。為了搜尋外星文明訊號，最高頻率解析度為5 Hz。對應0.001km/s的視向速度解析度。另外，FAST位於北緯25.6度，可觀測天頂角40度，不過，由於地球轉動，FAST可觀測天區可不是一個椎體！還有一個因素，經常被忽視，就是人和思想。望遠鏡能觀測什麼，自身因素固然重要，但如果人不能把望遠鏡用好，那望遠鏡能做的事也很有限。
為了回答FAST能看點啥？我們先來看看歷史上，射電望遠鏡都看了點啥。這是公認射電望遠鏡做出的.比較重要的成果。先看最後一列，是否預期之中？幾乎全是沒有預期到。好在還有一兩個預期到的。要不然大家就可以不用聽下去了。來看看口徑和FAST最接近的Arecibo望遠鏡做出了哪些發現。有一些是透過雷達的辦法實現的，相當於發出了一束光，把要看的目標照亮瞭然後再看。其他發現包括超脈澤（也就是微波鐳射）、中性氫成圖、脈衝雙星、毫秒脈衝星。總結起來，脈衝星、中性氫、分子譜線。
這也正是FAST三個重要的科學目標。雖然根據歷史經驗，重要的發現通常是未知的未知，但是我們能做的還是從已知的未知開始。我們知道FAST能觀測的科學目標有銀河系內的中性氫、銀河系外其他星系中的中性氫、脈衝星、分子譜線、快速射電暴、外星文明、以及未知的未知。順便插一句，前面提到射電望遠鏡就是天線，所以廣播電視天線能收到的，射電望遠鏡也有可能能收到。下面來具體看一下這些科學目標。
氫是原子量最小的元素，也是宇宙中最豐富的元素，所以，氫可以用來觀測星系的結構，當然包括銀河系的結構。氫有各種存在形式，我們關心的是基態的中性原子氫，稱為中性氫。中性氫會發出波長為21釐米的譜線，頻率1420 MHz，在FAST頻段之內，所以是FAST的一個重要觀測目標。宇宙中中性氫雖然多，但很多情況下是稀薄的，意思是，如果我們把每個氫原子想象為發光小球，這些小球是互不遮擋的，那麼根據接收到的光的強度，就可以推測有多少個發光小球，也就可以測量中性氫的質量了。
現在已經有對銀河系及附近中性氫分佈的成圖。從圖中可以看到銀河系、大小麥哲倫雲（兩個銀河系附近的矮星系）。FAST可以對部分天區進行更細緻的觀測，幫助我們看得更清楚，看到更多結構。河外星系中的中性氫可以示蹤一些可見光看不見的結構，比如圖中的潮汐作用造成的尾巴。中性氫還可以看到可見光看不到的星系間的相互作用。
銀河系和河外星系裡還有一些別的譜線，比如河外星系中的脈澤，也就是微波波段的鐳射。鐳射的特點是什麼？在這裡，最有用的特點就是亮和單色性好。亮，使得我們可以測量距離很遠的源。單色性好，使得我們可以精確測量星系的紅移。
脈衝星是一種發出週期性脈衝的天體。這種週期性是由於轉動造成的，類似於燈塔，就是這個樣子，是不是很像？大部分脈衝星發出射電脈衝，可以用FAST觀測。脈衝星是一部分中子星。這是脈衝星磁場和輻射束的示意圖。很多中子星不發出脈衝，或者輻射束不掃過地球，不產生脈衝。脈衝星個頭不大，半徑10千米，大概是一座城市的大小，不過脈衝星質量不小，質量和太陽相當。中子星是大質量恆星塌縮形成的，就是把恆星物質壓縮到一個小體積中。微觀上看，就是把原子核和原子核擠到一起，把原子裡的空間都填滿。我們來看一下恆星，比如太陽。這裡提個問題，太陽多少天轉一圈？有沒有可能讓太陽一秒轉一圈？事實上，太陽每25天轉一圈，其他恆星也不可能一秒轉一圈，因為離心力不能超過引力，否則恆星就散架了。但是，把恆星物質壓縮到中子星中，中子星就可以轉得很快了。因為角動量守恆，半徑變小了，角速度就變大了。有興趣可以找把轉椅，拿兩個啞鈴試試。
把脈衝星的訊號放到相位-頻率圖上是這樣的，其中可以把相位簡單理解為時間。能看到什麼？高頻訊號先到，低頻訊號後到，高頻訊號傳播速度快。大家有沒有覺得奇怪？如果在空氣中，是紅光速度快還是藍光速度快？但射電波在星際介質中傳播的時候就是高頻速度快。時間延遲和頻率的關係是已知的，所以可以改正時間延遲，把不同頻率的脈衝對齊。然後把不同頻率的脈衝加起來，就可以得到我們通常理解的脈衝了。簡單說，這就是搜尋脈衝星的過程。不過通常脈衝星很弱，在前兩幅圖中是看不到什麼明顯訊號的，這也是脈衝星搜尋的難度所在。這是FAST發現的一顆毫秒脈衝星。現在FAST已經發現了五十多顆脈衝星了。或許未來我們能確定快速射電暴的來源，也或許能發現脈衝星和黑洞組成的雙星系統，這些都算是已知的未知。
上面提到的中性氫、脈澤是頻域觀測，脈衝星多半是頻域觀測。而那些未知的未知可能用時域-頻域聯合分析才能發現。這是SETI（搜尋外星文明）的一個示意圖，是SETI@HOME專案的電腦屏保。這很好地展示了我們面對的資料——隨時間變化的頻譜。不做特殊處理，我們看到的就是噪聲，但是可以肯定，這裡面是有訊號的，怎麼把訊號找出來，這是需要努力的。訊號就是沙子裡面的金子。自然的訊號通常是簡單優雅的，各種調製訊號通常是人為造成的。不知道外星文明是不是也像我們一樣對訊號進行各種調製，大機率是的。所以外星文明搜尋將面對人工調製+星際介質調製的訊號，這是未來要解決的問題。
3.“天眼”有可能找到地外文明嗎？
一談到地外文明，大家普遍認為這是科幻小說裡的內容。但作為一個天文學家，我們想真正用科學的手段來研究地外文明。實際上，對地外文明進行觀測，正是“中國天眼”FAST望遠鏡早期的五大科學目標之一。（阿雷西博也有同樣的任務）
20世紀50年代，物理學家費米曾經提出一個假設：如果說整個宇宙中生命的演化歷程是普適的，那麼在銀河系中就應該形成一個銀河文明網路，一代一代的文明將延續下去。那麼，為什麼我們沒有觀測到其他文明？他們都在哪兒呢？這就是著名的費米悖論。
科學家德雷克在20世紀60年代就寫了一個公式來計算銀河系中能與外界進行交流的高階文明的數量。基於這個公式，把所有可能的條件都考慮進去，估算下來，銀河系裡可能有數億個文明存在。
物理學家霍金曾經警告人類，不要盲目地去主動和外星人接觸。但是，這個觀點是基於地球資源有限，文明和文明之間因為資源而相互殺戮的前提條件下推匯出來的。而現在，整個宇宙足夠大，不存在爭奪資源的問題，所以我的觀點和霍金完全相反——想象一下，在風暴雨狂的漆黑的大海上，你駕駛著一艘船艱難前行，突然，在遠處發現一點光，是來自另一艘船。這時候，你是拿出槍來把對方幹掉，還是會尋求對方的幫助而互相依存？答案顯然是後者。
這或許就是我們尋找外星文明的意義之一——地球有一天可能讓我們無法生存，我們需要尋找地球之外的生存家園。
那麼，我們怎麼去找外星人？有兩個方向：我們發出訊號給他們，他們發出訊號給我們。基於這兩個方向，我們有3種辦法：第一，尋找宜居的系外行星。第二，我們從地球上向外太空發射無人飛船或者發射電磁波訊號去尋找他們。20世紀70年代，美國曾向太空發射了2艘“先驅者號”、2艘“旅行者號”、1艘“新視野”飛船，攜帶了地球上的很多文明資訊。這些飛船目前正在飛離太陽系，但是這種方式的成本太昂貴。第三，就是接收外星人的訊號。
我們今天主要來談談接收訊號。電磁波是最適合進行星際通訊的載體或者信使。光就是電磁波，它的速度是每秒30萬公里。光到達離我們最近的一顆恆星比鄰星，需要4年時間。而且，發射電磁波的成本很低，我們打一個電話、發一個微信，就是一個電磁波發出去了。
電磁波有不同的波長，波長較長的有射電波，波長較短的有伽馬射線、X射線。波長較短的電磁波很難穿透大氣，而波長較長的射電波段可以不論颳風下雨，全天候地穿透地球大氣層。那麼，在射電波段裡，什麼訊號是外星文明的訊號呢？研究發現，宇宙中的天體本身發出的訊號寬度最窄是500赫茲，所以我們需要尋找那些小於500赫茲寬度的窄帶訊號。
對地外文明的觀測從20世紀60年代已經開始，當時德雷克開啟了全世界第一個搜尋地外文明的計劃——奧慈瑪計劃。20世紀90年代，美國加州大學伯克利分校建立了SETI(搜尋地外智慧生命)研究小組，搜尋計劃至今還在執行之中。
天文學家在進行地外文明觀測時採用了一套觀測模式，叫共時巡天觀測。也就是說，科學家在觀測科學目標的時候，可以與其他使用者共用觀測時間。FAST望遠鏡的SETI觀測也將採用這種模式。
“天眼之父”南仁東曾經在一篇綜述文章裡論述了FAST望遠鏡觀測地外文明的優勢——FAST望遠鏡是全世界靈敏度最高的射電望遠鏡。基於此，2018年，伯克利SETI研究團組和中國國家天文臺合作共同在FAST望遠鏡上裝了一個後端裝置，開始了SETI觀測。
因為小於500赫茲的窄帶訊號人類很容易製造出來，所以我們在進行觀測的時候，要區分、去除地球上人類製造的窄帶訊號，這需要很複雜的甄別程式。近年來，根據FAST望遠鏡對地外文明觀測的實際資料，我們篩選出一些窄帶訊號，它們有可能是地外文明發出的訊號。當然，我們現在還不能下最終的結論。
2019年，我在和伯克利SETI研究團組討論時，曾經問他們：你們認為再過多少年能夠發現地外文明？一個科學家說20年，另一個科學家說再過一年就能發現。我個人認為，可能10年到15年，FAST望遠鏡將給出定論。
定論的意思是——第一種可能，我們找到了地外文明的訊號。如果找到，那是非常重要的事情。第二種可能是確實沒找到。FAST是全世界最靈敏的射電望遠鏡，這意味著我們現在的技術暫時還找不到，可能要有更先進的技術才能做到。
我們期待著FAST能在未來給我們一個答案。