齊健+吳晶晶+胡星+楊維漢

2016年6月27日，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）工程施工場(chǎng)而和滿天繁星相映生輝

2016年7月3日，直徑500米、迄今全球最大的“鍋蓋”在貴州喀斯特天坑中架設(shè)完成。

它就是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

它被稱為“天眼”，用來傾聽宇宙深處聲音、觀測(cè)宇宙奧秘。

分辨“雷聲中的蟬鳴”

當(dāng)老式電視收不到信號(hào)時(shí)，屏幕上不是一片空白，而是閃爍著密密麻麻的雪花點(diǎn)。其實(shí)，這些雪花點(diǎn)就是電磁波信號(hào)，其中也包括來自太空的射電輻射。

1933年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家用一臺(tái)靈敏度很高的接收機(jī)意外發(fā)現(xiàn)了來自銀河中心穩(wěn)定的射電輻射，從此開啟射電天文學(xué)的大門。

用過“鍋蓋天線”的人知道，鍋蓋口徑越大，電視畫面也越清晰。對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡來說，口徑越大看得越遠(yuǎn)。全世界的射電天文學(xué)家都追求建造更大口徑的“鍋蓋”，以提高射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程副經(jīng)理彭勃說，射電望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)建造之初就曾遇到經(jīng)費(fèi)緊張，但不管減什么，科學(xué)家們都不愿縮小望遠(yuǎn)鏡的口徑。

“宇宙空間混雜各種輻射，遙遠(yuǎn)的信號(hào)像雷聲中的蟬鳴，沒有超級(jí)靈敏的‘耳朵，根本就分辨不出來?！敝袊茖W(xué)院國家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程首席科學(xué)家、總工程師南仁東說。

此前，世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，分別是德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡和美國阿雷西博300米望遠(yuǎn)鏡。前者是可以移動(dòng)“搖頭”的，后者則借助波多黎各島上的喀斯特洼坑建造。

1993年國際無線電聯(lián)大會(huì)上，包括中國在內(nèi)的10國天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”的倡議，渴望在電波環(huán)境徹底毀壞前，回溯原初宇宙，解答天文學(xué)中的眾多難題。

“造世界第一大口徑射電望遠(yuǎn)鏡，是南仁東老師和幾位前輩的夢(mèng)，體現(xiàn)了中國天文學(xué)家的鴻鵠之志?！迸聿f。

1995年底，北京天文臺(tái)聯(lián)合國內(nèi)20余所大學(xué)和研究所，成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國推進(jìn)委員會(huì)，提出了利用貴州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天線陣”的喀斯特工程概念。

此后，中國科學(xué)家們進(jìn)一步推進(jìn)喀斯特概念，提出獨(dú)立研制一臺(tái)新型的喀斯特單元，即500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。

為了給新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”安家，科學(xué)家們通過衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個(gè)遍。彭勃回憶說，當(dāng)時(shí)天文臺(tái)委托兩家院所進(jìn)行獨(dú)立搜尋，從300多個(gè)候選洼坑中遴選。結(jié)果，位于黔南州平塘縣的大窩凼兩次都獲得最高分。

貴州天然喀斯特洼坑提供的條件，始終都是中國大射電望遠(yuǎn)鏡最獨(dú)到、成為世界最大最強(qiáng)的基礎(chǔ)。

絕不是“傻大粗”

無論是置身大射電望遠(yuǎn)鏡邊上，爬上附近山頂?shù)挠^景臺(tái)，還是通過虛擬現(xiàn)實(shí)視頻，你都能直觀感受它的第一特點(diǎn)——大?？茖W(xué)家們形容它是一座“觀天巨眼”。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程總工藝師王啟明說，僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬多噸鋼材。

“望遠(yuǎn)鏡反射面總面積為25萬平方米，相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。盡管反射面板才1毫米厚，也用掉2000多噸鋁合金?！蓖鯁⒚髡f。

但大射電望遠(yuǎn)鏡絕不是金屬堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文儀器。由于采用光機(jī)電一體化的饋源平臺(tái)，加之饋源艙內(nèi)的并聯(lián)機(jī)器人二次調(diào)整，它在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)指向跟蹤，確保精確地聚集和監(jiān)聽宇宙中微弱的射電信號(hào)。

大射電望遠(yuǎn)鏡的建造工藝也是精益求精。王啟明說，由于嚴(yán)苛要求，這個(gè)大科學(xué)工程推動(dòng)了多領(lǐng)域裝備制造能力的提升：

——主動(dòng)反射面的索網(wǎng)具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞特征，其500兆帕的超高應(yīng)力幅，是國家標(biāo)準(zhǔn)的2.5倍;

——幫助反射面變位的2000多個(gè)液壓促動(dòng)器通過伸縮實(shí)現(xiàn)精確定位、協(xié)同運(yùn)動(dòng)，還可將自身各項(xiàng)狀態(tài)信息上報(bào)給控制系統(tǒng)，滿足適時(shí)跟蹤、換源等運(yùn)動(dòng)要求;

——承擔(dān)著傳輸各種數(shù)據(jù)信息使命的動(dòng)光纜可經(jīng)受反復(fù)彎曲、卷繞和扭轉(zhuǎn)等機(jī)械性能和惡劣自然環(huán)境考驗(yàn)。

“我們的最初設(shè)計(jì)理念源自美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。但跟阿雷西博相比，主動(dòng)反射面系統(tǒng)是我們最大的創(chuàng)新?！迸聿f，大射電望遠(yuǎn)鏡的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動(dòng)變化，帶動(dòng)索網(wǎng)上的4450個(gè)反射單元，在射電電源方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面，極大提升觀測(cè)效率。

阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是固定望遠(yuǎn)鏡，只能通過改變天線饋源的位置掃描天空中的一個(gè)約20度的帶狀區(qū)域。而主動(dòng)反射面讓中國大射電望遠(yuǎn)鏡擁有更廣的觀測(cè)范圍，能覆蓋40度的天頂角。

大射電望遠(yuǎn)鏡的工作頻率比較廣。彭勃說，饋源艙內(nèi)配置了覆蓋頻率70MHz～3GHz的多波段、多波束饋源和接收機(jī)系統(tǒng)。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副臺(tái)長鄭曉年說，100米口徑的德國波恩望遠(yuǎn)鏡曾號(hào)稱“地面最大的機(jī)器”，中國大射電望遠(yuǎn)鏡與它相比，靈敏度提高約10倍。300米口徑的美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，50多年一直無人超越，中國大射電望遠(yuǎn)鏡跟它相比，綜合性能提高約10倍。

能否尋找地外文明？答案是肯定的

“跟其他射電望遠(yuǎn)鏡一樣，中國大射電望遠(yuǎn)鏡最主要的兩大科學(xué)目標(biāo)是巡視宇宙中的中性氫和觀測(cè)脈沖星，前者是研究宇宙大尺度物理學(xué)，以探索宇宙起源和演化，后者是研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律。”鄭曉年說。

地球大氣層留給人類探索宇宙兩個(gè)窗口，一個(gè)是光學(xué)，一個(gè)是射電。對(duì)天文學(xué)家來說，如果光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是顯微鏡，那么射電望遠(yuǎn)鏡就是CT機(jī)，可以獲得天體的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。

2014年8月21日從FAST饋源艙處拍攝的天空

2016年6月28日從FAST饋源艙處拍攝的天空

“有7套接收機(jī)，因?yàn)椴煌牟ǘ斡^測(cè)的頻率不一樣，觀測(cè)和研究目標(biāo)就不一樣。”彭勃說，在大射電望遠(yuǎn)鏡眼中，宇宙和宇宙天體是一種立體的呈現(xiàn)。

半個(gè)多世紀(jì)以來，全世界所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量尚翻不動(dòng)一頁紙，中國大射電望遠(yuǎn)鏡的加盟將大大加快這一速度。而收集的能量，意味著解讀宇宙深處奧秘的信息量。

“從射電望遠(yuǎn)鏡誕生至今，人類共發(fā)現(xiàn)了約2500顆脈沖星，如果中國大射電望遠(yuǎn)鏡的工作時(shí)間全部用于觀測(cè)脈沖星，它一年時(shí)間內(nèi)就有望將這個(gè)數(shù)量翻倍?！迸聿f，脈沖星可以用于脈沖星導(dǎo)航、脈沖星計(jì)時(shí)陣等應(yīng)用目標(biāo)。

南仁東認(rèn)為，大射電望遠(yuǎn)鏡還有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些前所未見的脈沖星現(xiàn)象，比如說一個(gè)脈沖星和一個(gè)黑洞結(jié)對(duì)，那么就可能產(chǎn)生突破性的理論。

物理學(xué)發(fā)展中的每一次小小的進(jìn)步，都伴隨著極大的艱難與曲折。但在人類文明進(jìn)步的每個(gè)階段，物理學(xué)始終站在解放生產(chǎn)力的前沿。彭勃說，科學(xué)家利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)引力波，并獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，中國大射電望遠(yuǎn)鏡則為自然科學(xué)特別是物理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域提供了重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。

“針對(duì)大眾十分關(guān)心的大射電望遠(yuǎn)鏡能否用于尋找地外文明，答案是肯定的?！迸聿硎?，它是探測(cè)系外行星尤其是類地行星的利器。由于靈敏度提高，它能看到更遠(yuǎn)、更暗弱的天體，通過探測(cè)星際分子、搜索可能的星際通訊信號(hào)，尋找地外文明的幾率比現(xiàn)有設(shè)備提升了5～10倍。

在7月3日饋源艙升艙和反射面板按計(jì)劃完成安裝后，大射電望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行2個(gè)多月的系統(tǒng)調(diào)試，于9月底正式竣工投入使用。但要實(shí)現(xiàn)所有功能參數(shù)最優(yōu)化，它還要在兩三年的觀測(cè)中不斷調(diào)試完善。

“大射電望遠(yuǎn)鏡建成后將成為中國天文學(xué)研究的‘利器，在未來10～20年保持世界一流設(shè)備的地位。”鄭曉年說，“希望中國科學(xué)家盡快利用它出成果?！?