你可能在新聞標(biāo)題或短視頻中看到過這樣的說法：“FAST望遠(yuǎn)鏡能看到137億光年遠(yuǎn)的宇宙邊緣”，或者“中國天眼聽見了宇宙起源的聲音”。這些描述聽起來令人震撼，仿佛我們已經(jīng)用望遠(yuǎn)鏡“看到了宇宙誕生的那一刻”。但這是真的嗎？

FAST（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）坐落于我國貴州，其反射面相當(dāng)于30個足球場，是目前世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。它的建成開創(chuàng)了建造巨型望遠(yuǎn)鏡的新模式，大幅拓展了人類的對宇宙的觀測能力。然而，它真的能“看穿”137億年的宇宙歷史嗎？這個具體的數(shù)值“137億光年”又是如何來的？讓我們撥開迷霧，探尋科學(xué)真相。

FAST全貌

（圖片來源：中國天眼景區(qū)）

距離的計(jì)算：宇宙膨脹下的復(fù)雜度量

首先，現(xiàn)代宇宙學(xué)理論認(rèn)為，我們的宇宙誕生于大約138億年前。但這并不意味著我們宇宙的可觀測半徑為138億光年（1光年表示光在真空中一年所走過的距離，約等于9.46萬億公里）。埃德溫·哈勃在20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都在遠(yuǎn)離我們，而且距離我們越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度（退行速度）越快。哈勃定律表明宇宙空間本身在膨脹！星系之間的距離在變大。

想象一個正在膨脹著的巨大“橡皮氣球”，橡皮氣球上固定點(diǎn)之間的距離會隨著氣球膨脹而增大。因此，當(dāng)我們觀測到來自138億光年處的電磁波信號時，由于宇宙膨脹，當(dāng)初發(fā)出信號的點(diǎn)現(xiàn)在早已超出138億光年。

宇宙膨脹就像氣球膨脹的過程。氣球上的紅點(diǎn)代表星系，黑色曲線代表電磁波。隨著氣球膨脹，星系之間距離變大，電磁波波長變長。

（圖片來源：NASA/JPL）

在天文學(xué)研究中，我們把光傳播時間對應(yīng)的距離稱為光行距離（也稱為回望距離）。天文學(xué)家通過觀測天體光譜中的多普勒效應(yīng)——即由于波源與觀測者之間的相對運(yùn)動而導(dǎo)致波長發(fā)生變化的現(xiàn)象——測量其紅移值z。紅移是指天體光譜中特征譜線向長波方向（即紅光端）移動的現(xiàn)象，通常指示天體正遠(yuǎn)離觀測者?；诩t移值z、哈勃常數(shù)和宇宙膨脹因子（取決于宇宙的成分，與物質(zhì)密度和暗能量密度相關(guān)），天文學(xué)家進(jìn)而可以計(jì)算出天體的光行距離。

而認(rèn)識理解深空觀測的本質(zhì)，還需區(qū)分另外兩種距離：共動距離和固有距離。共動距離（即當(dāng)前真實(shí)距離），是計(jì)算宇宙膨脹后，天體今天的實(shí)際距離；固有距離是光子發(fā)出時刻，天體與地球之間的真實(shí)空間距離。固有距離和共動距離有簡單的對應(yīng)關(guān)系。

以2022年詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，JWST）拍攝的GLASS-z13星系為例（參考文獻(xiàn)[1]），使用普朗克衛(wèi)星參數(shù)=67.4 km/s/Mpc，=0.315，=0.685，GLASS-z13的紅移為z13，則它的光行距離為億光年，即GLASS-z13發(fā)出的光子經(jīng)歷了134億年才達(dá)到我們地球。而這時GLASS-z13實(shí)際距離我們億光年（共動距離）。光子出發(fā)時的GLASS-z13距離我們33.5億光年（固有距離）。

我們再次回到開篇的問題：“FAST能觀測137億光年遠(yuǎn)的宇宙邊緣”，這一說法對嗎？如果FAST能接收到137億年前的電磁波信號，那么信號源當(dāng)前的實(shí)際距離約為455億光年。而且根據(jù)最新普朗克衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，可觀測宇宙半徑實(shí)際約為465億光年（直徑930億光年），對應(yīng)的宇宙年齡是138.2億年。

因此，簡單地說，這種通俗說法在科學(xué)上并不嚴(yán)謹(jǐn)。因?yàn)檫@種說法混淆了光行距離與當(dāng)前實(shí)際距離，忽略了宇宙膨脹效應(yīng)，同時低估了可觀測宇宙的真實(shí)尺度。

圖中的紅點(diǎn)即為GLASS-z13，右上角紅色團(tuán)塊為其放大圖，它可能是迄今為止最遙遠(yuǎn)的星系。

（圖片來源：NASA/CSA/ESA/STScI）

最遠(yuǎn)的目標(biāo)：宇宙微波背景輻射

我們再來看第二個問題：“FAST能不能看到宇宙誕生的那一刻？”要解答這個問題，那么就需要先理解什么是“宇宙的誕生的那一刻”。

根據(jù)大爆炸宇宙學(xué)模型，在宇宙誕生后的最初約38萬年里，空間充斥著稠密的自由電子。這些電子與光子頻繁碰撞，嚴(yán)重阻礙了光子的有效傳播，使得輻射無法自由穿行，宇宙因此處于一片混沌與黑暗之中。大約在38萬年后，隨著宇宙持續(xù)膨脹和冷卻，溫度逐漸降低。當(dāng)溫度降到一定程度（約3000開爾文），光子便不再擁有足夠的能量去電離氫、氦等原子核與其周圍電子形成的束縛態(tài)原子。自由電子因此大幅減少，光子終于得以掙脫束縛，釋放出第一束自由傳播的光。

隨著宇宙膨脹，這束光被劇烈紅移，波長被拉伸到微波波段，形成了彌漫全天的宇宙微波背景輻射（cosmic microwave background，CMB）。它是望遠(yuǎn)鏡能觀測到的最古老的光子，承載著宇宙嬰兒期的信息，不過并非真正意義上的“宇宙誕生瞬間”。

1964年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師彭齊亞斯和威爾遜使用一架工作波段為7.35厘米（4.08吉赫茲）的低噪聲喇叭形反射天線（20英尺長，約為6.1米），證實(shí)了CMB的存在（參考文獻(xiàn)[2]）。他們使用的反射天線在天頂處測量到了總天線溫度為6.7 K（K為溫度單位：開爾文）的信號，其中2.3 K來自大氣輻射，0.9 K來自天線損耗，剩余3.5 K（后續(xù)修正為2.7 K）最終確認(rèn)為CMB。

和彭齊亞斯和威爾遜使用的反射天線相比，F(xiàn)AST的有效接收面積更大，擁有更高的觀測靈敏度，當(dāng)然能夠觀測到CMB。FAST高頻波段的B07接收機(jī)覆蓋頻率范圍為2至3吉赫茲，系統(tǒng)噪聲溫度25 K（參考文獻(xiàn)[3]）。這一數(shù)值已經(jīng)包括接收機(jī)噪聲、天空背景噪聲（CMB、銀河系同步輻射、大氣輻射）和地面熱噪聲。實(shí)際上，F(xiàn)AST正在使用的19波束接收機(jī)（1050–1450兆赫茲）的亮溫度靈敏度能夠達(dá)到6.4 mK/頻道（參考文獻(xiàn)[4]），觀測CMB綽綽有余！

因此，F(xiàn)AST具備足夠的靈敏度觀測承載著宇宙嬰兒期信息的古老光子，但對于“看到宇宙誕生的那一刻”這一說法仍需要謹(jǐn)慎解讀。

高紅移宇宙探針：中性氫與快速射電暴

盡管CMB承載著大爆炸后38萬年的古老信息，F(xiàn)AST也能夠捕捉到這一遙遠(yuǎn)的信號，但是FAST的物理特性——低頻覆蓋范圍（70兆赫茲至3吉赫茲）、系統(tǒng)噪聲限制——使其像普朗克衛(wèi)星一樣以極高精度測繪CMB溫度漲落十分困難。CMB的深入研究需依賴毫米波望遠(yuǎn)鏡（如亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡ALMA）的精密之眼。

實(shí)際上，F(xiàn)AST研究宇宙早期并非直接接收“137億年前發(fā)出的原始光子”，而是通過觀測宇宙演化過程中遺留的特定低頻射電信號來間接研究早期宇宙。FAST的核心科學(xué)目標(biāo)之一是探測中性氫（HI）的21厘米譜線。中性氫是宇宙中最豐富的元素，其輻射的電磁波波長約為21厘米（頻率1.42吉赫茲）。

由于宇宙膨脹，早期宇宙的信號會被紅移到更低頻段，紅移z≈6-20（宇宙年齡約5億-13億年，對應(yīng)宇宙再電離時期）的21厘米信號，紅移后頻率降至50-200兆赫茲（波長1.5至6米）。FAST的工作頻段（70兆赫茲至3吉赫茲）剛好覆蓋這一范圍。FAST能探測到這些極端紅移后的21cm射電信號，從而“聽到”早期宇宙的回聲。

但實(shí)際觀測中極高紅移（z＞6）信號探測非常困難。主要原因包括地面電磁干擾、望遠(yuǎn)鏡自身噪聲及信號強(qiáng)度極弱等。舉例來說，F(xiàn)AST最低頻接收機(jī)（70至140兆赫茲）系統(tǒng)溫度高達(dá)~1000 K，對極微弱的宇宙黎明21厘米吸收信號幾乎無效。目前FAST僅對較低紅移（z＜0.4）的中性氫進(jìn)行了深度掃描，開展了多個深度21厘米中性氫巡天項(xiàng)目。

截至最近，F(xiàn)AST在一個0.72平方度的觀測區(qū)共探測到128個中性氫星系，其中有6個星系紅移z＞0.38，對應(yīng)光行距離約50億光年（參考文獻(xiàn)[5]）。此前世界記錄為美國阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡探測到的紅移z小于0.16（約22億光年）星系。

快速射電暴（Fast Radio Bursts，F(xiàn)RB）是FAST研究早期宇宙信號的另一方向。FRB是來自宇宙深處、持續(xù)僅毫秒級的超強(qiáng)射電脈沖，其起源仍是重大謎題。同時其信號穿越宇宙介質(zhì)時攜帶的信息，也能用于研究星系際物質(zhì)和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。

FAST極高的靈敏度使其成為探測和研究FRB的利器，尤其是在搜尋重復(fù)暴和精細(xì)刻畫其特征方面表現(xiàn)突出。FAST已探測到大量FRB，其中許多源自數(shù)十億光年外的遙遠(yuǎn)星系。例如，F(xiàn)AST觀測到的最遠(yuǎn)FRB記錄為紅移接近2的FRB 181123，其光行距離約85億光年（參考文獻(xiàn)[6]）。FAST有能力探測到更遙遠(yuǎn)的FRB，不斷刷新我們對這些神秘現(xiàn)象分布和性質(zhì)的認(rèn)識。

簡而言之，F(xiàn)AST能夠探測到來自宇宙大爆炸后約38萬年的“余暉”——宇宙微波背景輻射，這是它觸及最遙遠(yuǎn)過去的直接證據(jù)。然而，受限于其工作頻段（主要覆蓋低頻射電波段）和系統(tǒng)特性，F(xiàn)AST難以像毫米波望遠(yuǎn)鏡那樣以極高精度測繪CMB的細(xì)微溫度漲落（各向異性）。它的獨(dú)特優(yōu)勢在于“傾聽”宇宙稍晚時期的“聲音”：搜尋被宇宙膨脹紅移的中性氫信號（21厘米線），捕捉來自數(shù)十億光年外的神秘快速射電暴。

通過這些獨(dú)特的宇宙信使，F(xiàn)AST正以其無與倫比的靈敏度，為我們揭示宇宙結(jié)構(gòu)演化與極端物理過程的關(guān)鍵信息，不斷拓展人類認(rèn)識宇宙的邊界。

參考文獻(xiàn)：

[1]Popping, Gerg?. “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：科普中國

作者：昌平野人（黔南民族師范學(xué)院）

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