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科普:射电望远镜的原理,曾经向外星人发过什么信息?

射电望远镜(radio telescope)是指观测和研究来自天体的射电波的基本设备,可以测量天体射电的强度、频谱偏振等量  。包括收集射电波的定向天线,放大射电信号的高灵敏度接收机,信息记录﹑处理和显示系统等。20世纪60年代天文学取得了四项非常重要的发现:脉冲星类星体宇宙微波背景辐射星际有机分子,被称为“四大发现”。这四项发现都与射电望远镜有关。

1931年,美国贝尔实验室的科学家卡尔·央斯基发明利用射电波探测天体的旋转天线阵。20世纪80年代,美国的VLBA阵﹑日本的空间VLBI相继研发成功,这是新一代射电望远镜的代表。

2012年10月28日,亚洲最大的全方位可转动射电望远镜在上海天文台正式落成。这台射电望远镜的综合性能排名亚洲第一、世界第四,能够观测100亿光年以外的天体,将参与我国探月工程及各项深空探测。

被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,2016年9月在贵州落成。

基本原理

经典射电望远镜 的基本原理是和光学反射望远镜相似,投射来的电磁波被一精确镜面反射后,同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面易于实现同相聚焦,因此,射电望远镜天线大多是抛物面。射电望远镜表面和一理想抛物面的均方误差率不大于λ/16~λ/10,该望远镜一般就能在波长大于λ的射电波段上有效地工作。对米波或长分米波观测,可以用金属网作镜面;而对厘米波和毫米波观测,则需用光滑精确的金属板(或镀膜)作镜面。从天体投射来并汇集到望远镜焦点的射电波,必须达到一定的功率电平,才能被接收机检测到。目前的检测技术水平要求最弱的电平应达10 -20瓦。射频信号的功率首先在焦点处放大10~1000倍﹐并变换成较低频率(中频),然后用电缆将其传送至控制室,在那里再进一步放大﹑检波,最后以适于特定研究的方式进行记录、处理和显示。

天线收集天体的射电辐射,接收机将这些信号加工、转化成可供记录、显示的形式,终端设备把信号记录下来,并按特定的要求进行某些处理然后显示出来。表征射电望远镜性能的基本指标是空间分辨率和灵敏度,前者反映区分两个天球上彼此靠近的射电点源的能力,后者反映探测微弱射电源的能力。射电望远镜通常要求具有高空间分辨率和高灵敏度!

射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。射电望远镜的外形差别很大,有固定在地面的单一口径的球面射电望远镜,有能够全方位转动的类似卫星接收天线的射电望远镜,有射电望远镜阵列,还有金属杆制成的射电望远镜。

暴露地球位置

然而,你们可曾知道?射电望远镜曾经干过一件“蠢事”,早在40多年以前就已经向太空广播暴露了地球在宇宙中的位置!

那是在1974年,世界上当时最大的单面射电望远镜刚刚完成改造。就在庆祝仪式上,人们打算用这面口径305米的阿雷西博天线,向宇宙发送一段无线电信号。这段信号经过精心设计,如果能够被正确接收和解码,就可以从中解读出关于人类的诸多信息,包括我们在太阳系里所在的位置。

在1974年11月16日,建于波多黎各的美国阿雷西博天文台望远镜向球状星团M13发射了一段超强“广播”。正式透漏了地球的位置,科学家们期望这段信息能够被宇宙外的高等文明截获并与我们交流。

在此之前,只有先驱者10号和11号,携带着刻有人类信息和坐标的铝板被发射升空。当时它们刚离开地球不久,正在“龟速”飞向太阳系外。算上后来旅行者号携带的镀金唱片,这些给外星人准备的小礼物,只能算是人类投向宇宙的漂流瓶,本身并没有明确的目的地,而且至少要上几万年才能真正意义上飞出我们的太阳系。

阿雷西博信号则不同,相当于一封无线电报,一经发出就会以光速飞离地球。用不了1天,它就能超过那些漂流瓶。不过,这封电报也同样需要上万年才能抵达目的地。人们给这封电报挑选的接收地点,是编号M13的武仙座星团,距离地球超过2.2万光年。

这段信号包含了1679个二进制数字组,翻译过来以后可以得到:DNA所包含的化学元素序号;核甘酸的化学式;DNA的双螺旋形状;人的外形;太阳系的组成和地球的基本信息;望远镜的口径和波长。

之所以选择了球状星团M13,是因为该星系所含的恒星数量较多。有较大的可能会遇上宇宙中的高等文明。

此外,就算现在球状星团M13还不具备高等生物。但由于与其相差2.5万光年,等到这段信号到达那里,这一路上所花的时间也足以让一颗星球上的生命从低等生物发展到具备探索宇宙的能力了。一些科学家们担心这段信号会不会在未来给地球带来“杀身之祸”,比如贝尔物理奖得主、英国天文学家马丁·赖尔得知此事后,就给联合国写信极力反对人类主动与外星人建立联系;在他看来这些信息很可能会暴露地球人的存在,有可能招来杀身之祸。现在这段信号只传播了仅仅40几年。在几百年,几千年之后说不准就会被外星文明给检测到。如果真是这样阿雷西博天文台的这个锅盖可真要背锅了。

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