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(guó)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(guó)貴州，其反射面相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)，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(duì)宇宙的觀測(cè)能力。然而，它真的能“看穿”137億年的宇宙歷史嗎？這個(gè)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(guó)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(cè)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?cè)竭h(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(gè)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(huì)隨著氣球膨脹而增大。因此，當(dāng)我們觀測(cè)到來自138億光年處的電磁波信號(hào)時(shí)，由于宇宙膨脹，當(dāng)初發(fā)出信號(hào)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(zhǎng)變長(zhǎng)。

（圖片來源：NASA/JPL）

在天文學(xué)研究中，我們把光傳播時(shí)間對(duì)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(cè)天體光譜中的多普勒效應(yīng)——即由于波源與觀測(cè)者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致波長(zhǎng)發(fā)生變化的現(xiàn)象——測(cè)量其紅移值z(mì)。紅移是指天體光譜中特征譜線向長(zhǎng)波方向（即紅光端）移動(dòng)的現(xiàn)象，通常指示天體正遠(yuǎn)離觀測(cè)者?；诩t移值z(mì)、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(shí)理解深空觀測(cè)的本質(zhì)，還需區(qū)分另外兩種距離：共動(dòng)距離和固有距離。共動(dòng)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(shí)刻，天體與地球之間的真實(shí)空間距離。固有距離和共動(dòng)距離有簡(jiǎn)單的對(duì)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(shí)GLASS-z13實(shí)際距離我們億光年（共動(dòng)距離）。光子出發(fā)時(shí)的GLASS-z13距離我們33.5億光年（固有距離）。

我們?cè)俅位氐介_篇的問題：“FAST能觀測(cè)137億光年遠(yuǎn)的宇宙邊緣”，這一說法對(duì)嗎？如果FAST能接收到137億年前的電磁波信號(hào)，那么信號(hào)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(cè)宇宙半徑實(shí)際約為465億光年（直徑930億光年），對(duì)應(yīng)的宇宙年齡是138.2億年。

因此，簡(jiǎn)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(shí)低估了可觀測(cè)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?cè)賮砜吹诙€(gè)問題：“FAST能不能看到宇宙誕生的那一刻？”要解答這個(gè)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(zhǎng)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(cè)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(guó)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(zhǎng)，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(cè)量到了總天線溫度為6.7 K（K為溫度單位：開爾文）的信號(hào)，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(cè)靈敏度，當(dāng)然能夠觀測(cè)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(cè)CMB綽綽有余！

因此，F(xiàn)AST具備足夠的靈敏度觀測(cè)承載著宇宙嬰兒期信息的古老光子，但對(duì)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(hào)，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(cè)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(cè)宇宙演化過程中遺留的特定低頻射電信號(hào)來間接研究早期宇宙。FAST的核心科學(xué)目標(biāo)之一是探測(cè)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(zhǎng)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(hào)會(huì)被紅移到更低頻段，紅移z≈6-20（宇宙年齡約5億-13億年，對(duì)應(yīng)宇宙再電離時(shí)期）的21厘米信號(hào)，紅移后頻率降至50-200兆赫茲（波長(zhǎng)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(cè)到這些極端紅移后的21cm射電信號(hào)，從而“聽到”早期宇宙的回聲。

但實(shí)際觀測(cè)中極高紅移（z＞6）信號(hào)探測(cè)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(hào)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(duì)極微弱的宇宙黎明21厘米吸收信號(hào)幾乎無效。目前FAST僅對(duì)較低紅移（z＜0.4）的中性氫進(jìn)行了深度掃描，開展了多個(gè)深度21厘米中性氫巡天項(xiàng)目。

截至最近，F(xiàn)AST在一個(gè)0.72平方度的觀測(cè)區(qū)共探測(cè)到128個(gè)中性氫星系，其中有6個(gè)星系紅移z＞0.38，對(duì)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(guó)阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)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(hào)的另一方向。FRB是來自宇宙深處、持續(xù)僅毫秒級(jí)的超強(qiáng)射電脈沖，其起源仍是重大謎題。同時(shí)其信號(hào)穿越宇宙介質(zhì)時(shí)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)到更遙遠(yuǎn)的FRB，不斷刷新我們對(duì)這些神秘現(xiàn)象分布和性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

簡(jiǎn)而言之，F(xiàn)AST能夠探測(cè)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(cè)繪CMB的細(xì)微溫度漲落（各向異性）。它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于“傾聽”宇宙稍晚時(shí)期的“聲音”：搜尋被宇宙膨脹紅移的中性氫信號(hào)（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(shí)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(guó)

作者：昌平野人（黔南民族師范學(xué)院）

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