“中国天眼”FAST，到底能看到多远？丨观天巨眼

你可能在新闻标题或短视频中看到过这样的说法：“FAST望远镜能看到137亿光年远的宇宙边缘”，或者“中国天眼听见了宇宙起源的声音”。这些描述听起来令人震撼，仿佛我们已经用望远镜“看到了宇宙诞生的那一刻”。但这是真的吗？

FAST（500米口径球面射电望远镜）坐落于我国贵州，其反射面相当于30个足球场，是目前世界最大的单口径射电望远镜。它的建成开创了建造巨型望远镜的新模式，大幅拓展了人类的对宇宙的观测能力。然而，它真的能“看穿”137亿年的宇宙历史吗？这个具体的数值“137亿光年”又是如何来的？让我们拨开迷雾，探寻科学真相。

FAST全貌

（图片来源：中国天眼景区）

距离的计算：宇宙膨胀下的复杂度量

首先，现代宇宙学理论认为，我们的宇宙诞生于大约138亿年前。但这并不意味着我们宇宙的可观测半径为138亿光年（1光年表示光在真空中一年所走过的距离，约等于9.46万亿公里）。埃德温·哈勃在20世纪初发现，几乎所有的星系都在远离我们，而且距离我们越远的星系，远离我们的速度（退行速度）越快。哈勃定律表明宇宙空间本身在膨胀！星系之间的距离在变大。

想象一个正在膨胀着的巨大“橡皮气球”，橡皮气球上固定点之间的距离会随着气球膨胀而增大。因此，当我们观测到来自138亿光年处的电磁波信号时，由于宇宙膨胀，当初发出信号的点现在早已超出138亿光年。

宇宙膨胀就像气球膨胀的过程。气球上的红点代表星系，黑色曲线代表电磁波。随着气球膨胀，星系之间距离变大，电磁波波长变长。

（图片来源：NASA/JPL）

在天文学研究中，我们把光传播时间对应的距离称为光行距离（也称为回望距离）。天文学家通过观测天体光谱中的多普勒效应——即由于波源与观测者之间的相对运动而导致波长发生变化的现象——测量其红移值z。红移是指天体光谱中特征谱线向长波方向（即红光端）移动的现象，通常指示天体正远离观测者。基于红移值z、哈勃常数和宇宙膨胀因子（取决于宇宙的成分，与物质密度和暗能量密度相关），天文学家进而可以计算出天体的光行距离。

而认识理解深空观测的本质，还需区分另外两种距离：共动距离和固有距离。共动距离（即当前真实距离），是计算宇宙膨胀后，天体今天的实际距离；固有距离是光子发出时刻，天体与地球之间的真实空间距离。固有距离和共动距离有简单的对应关系。

以2022年詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）拍摄的GLASS-z13星系为例（参考文献[1]），使用普朗克卫星参数=67.4 km/s/Mpc，=0.315，=0.685，GLASS-z13的红移为z13，则它的光行距离为亿光年，即GLASS-z13发出的光子经历了134亿年才达到我们地球。而这时GLASS-z13实际距离我们亿光年（共动距离）。光子出发时的GLASS-z13距离我们33.5亿光年（固有距离）。

我们再次回到开篇的问题：“FAST能观测137亿光年远的宇宙边缘”，这一说法对吗？如果FAST能接收到137亿年前的电磁波信号，那么信号源当前的实际距离约为455亿光年。而且根据最新普朗克卫星的数据，可观测宇宙半径实际约为465亿光年（直径930亿光年），对应的宇宙年龄是138.2亿年。

因此，简单地说，这种通俗说法在科学上并不严谨。因为这种说法混淆了光行距离与当前实际距离，忽略了宇宙膨胀效应，同时低估了可观测宇宙的真实尺度。

图中的红点即为GLASS-z13，右上角红色团块为其放大图，它可能是迄今为止最遥远的星系。

（图片来源：NASA/CSA/ESA/STScI）

最远的目标：宇宙微波背景辐射

我们再来看第二个问题：“FAST能不能看到宇宙诞生的那一刻？”要解答这个问题，那么就需要先理解什么是“宇宙的诞生的那一刻”。

根据大爆炸宇宙学模型，在宇宙诞生后的最初约38万年里，空间充斥着稠密的自由电子。这些电子与光子频繁碰撞，严重阻碍了光子的有效传播，使得辐射无法自由穿行，宇宙因此处于一片混沌与黑暗之中。大约在38万年后，随着宇宙持续膨胀和冷却，温度逐渐降低。当温度降到一定程度（约3000开尔文），光子便不再拥有足够的能量去电离氢、氦等原子核与其周围电子形成的束缚态原子。自由电子因此大幅减少，光子终于得以挣脱束缚，释放出第一束自由传播的光。

随着宇宙膨胀，这束光被剧烈红移，波长被拉伸到微波波段，形成了弥漫全天的宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background，CMB）。它是望远镜能观测到的最古老的光子，承载着宇宙婴儿期的信息，不过并非真正意义上的“宇宙诞生瞬间”。

1964年，美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊使用一架工作波段为7.35厘米（4.08吉赫兹）的低噪声喇叭形反射天线（20英尺长，约为6.1米），证实了CMB的存在（参考文献[2]）。他们使用的反射天线在天顶处测量到了总天线温度为6.7 K（K为温度单位：开尔文）的信号，其中2.3 K来自大气辐射，0.9 K来自天线损耗，剩余3.5 K（后续修正为2.7 K）最终确认为CMB。

和彭齐亚斯和威尔逊使用的反射天线相比，FAST的有效接收面积更大，拥有更高的观测灵敏度，当然能够观测到CMB。FAST高频波段的B07接收机覆盖频率范围为2至3吉赫兹，系统噪声温度25 K（参考文献[3]）。这一数值已经包括接收机噪声、天空背景噪声（CMB、银河系同步辐射、大气辐射）和地面热噪声。实际上，FAST正在使用的19波束接收机（1050–1450兆赫兹）的亮温度灵敏度能够达到6.4 mK/频道（参考文献[4]），观测CMB绰绰有余！

因此，FAST具备足够的灵敏度观测承载着宇宙婴儿期信息的古老光子，但对于“看到宇宙诞生的那一刻”这一说法仍需要谨慎解读。

高红移宇宙探针：中性氢与快速射电暴

尽管CMB承载着大爆炸后38万年的古老信息，FAST也能够捕捉到这一遥远的信号，但是FAST的物理特性——低频覆盖范围（70兆赫兹至3吉赫兹）、系统噪声限制——使其像普朗克卫星一样以极高精度测绘CMB温度涨落十分困难。CMB的深入研究需依赖毫米波望远镜（如亚毫米波阵列望远镜ALMA）的精密之眼。

实际上，FAST研究宇宙早期并非直接接收“137亿年前发出的原始光子”，而是通过观测宇宙演化过程中遗留的特定低频射电信号来间接研究早期宇宙。FAST的核心科学目标之一是探测中性氢（HI）的21厘米谱线。中性氢是宇宙中最丰富的元素，其辐射的电磁波波长约为21厘米（频率1.42吉赫兹）。

由于宇宙膨胀，早期宇宙的信号会被红移到更低频段，红移z≈6-20（宇宙年龄约5亿-13亿年，对应宇宙再电离时期）的21厘米信号，红移后频率降至50-200兆赫兹（波长1.5至6米）。FAST的工作频段（70兆赫兹至3吉赫兹）刚好覆盖这一范围。FAST能探测到这些极端红移后的21cm射电信号，从而“听到”早期宇宙的回声。

但实际观测中极高红移（z＞6）信号探测非常困难。主要原因包括地面电磁干扰、望远镜自身噪声及信号强度极弱等。举例来说，FAST最低频接收机（70至140兆赫兹）系统温度高达~1000 K，对极微弱的宇宙黎明21厘米吸收信号几乎无效。目前FAST仅对较低红移（z＜0.4）的中性氢进行了深度扫描，开展了多个深度21厘米中性氢巡天项目。

截至最近，FAST在一个0.72平方度的观测区共探测到128个中性氢星系，其中有6个星系红移z＞0.38，对应光行距离约50亿光年（参考文献[5]）。此前世界记录为美国阿雷西博305米射电望远镜探测到的红移z小于0.16（约22亿光年）星系。

快速射电暴（Fast Radio Bursts，FRB）是FAST研究早期宇宙信号的另一方向。FRB是来自宇宙深处、持续仅毫秒级的超强射电脉冲，其起源仍是重大谜题。同时其信号穿越宇宙介质时携带的信息，也能用于研究星系际物质和宇宙的大尺度结构。

FAST极高的灵敏度使其成为探测和研究FRB的利器，尤其是在搜寻重复暴和精细刻画其特征方面表现突出。FAST已探测到大量FRB，其中许多源自数十亿光年外的遥远星系。例如，FAST观测到的最远FRB记录为红移接近2的FRB 181123，其光行距离约85亿光年（参考文献[6]）。FAST有能力探测到更遥远的FRB，不断刷新我们对这些神秘现象分布和性质的认识。

简而言之，FAST能够探测到来自宇宙大爆炸后约38万年的“余晖”——宇宙微波背景辐射，这是它触及最遥远过去的直接证据。然而，受限于其工作频段（主要覆盖低频射电波段）和系统特性，FAST难以像毫米波望远镜那样以极高精度测绘CMB的细微温度涨落（各向异性）。它的独特优势在于“倾听”宇宙稍晚时期的“声音”：搜寻被宇宙膨胀红移的中性氢信号（21厘米线），捕捉来自数十亿光年外的神秘快速射电暴。

通过这些独特的宇宙信使，FAST正以其无与伦比的灵敏度，为我们揭示宇宙结构演化与极端物理过程的关键信息，不断拓展人类认识宇宙的边界。

参考文献：

[1]Popping, Gergö. “An upper limit on [O III] 88 μm and 1.2 mm continuum emission from a JWST z≈ 12–13 galaxy candidate with ALMA.” Astronomy & Astrophysics 669 (2023): L8.

[2]Penzias, Arno A., and Robert Woodrow Wilson. “A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s.” Astrophysical Journal, vol. 142, p. 419-421 142 (1965): 419-421.

[3]Jiang, Peng, et al. “Commissioning progress of the FAST.” Science China Physics, Mechanics & Astronomy 62.5 (2019): 959502.

[4]Liu, Yao, et al. “Deep H i mapping of M 106 group with FAST.” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 534.4 (2024): 3688-3704.

[5]Xi, Hongwei, et al. “FAST Ultra-Deep Survey: Data Release for FUDS0.” The Astrophysical Journal Supplement Series 274.1 (2024): 18.

[6]Zhu, Weiwei, et al. “A fast radio burst discovered in FAST drift scan survey.” The Astrophysical Journal Letters 895.1 (2020): L6.

出品：科普中国

作者：昌平野人（黔南民族师范学院）

监制：中国科普博览