何為“射電”？它其實(shí)是天文學(xué)中的獨(dú)有說法，指的是來自天體的無線電波。曾幾何時(shí)，世界領(lǐng)先的射電天文望遠(yuǎn)鏡均由歐美國家建造。2016年，500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（英文簡(jiǎn)寫“FAST”）在貴州省平塘縣建成，我國在相關(guān)領(lǐng)域跨入了世界先進(jìn)行列。

FAST是中國之最，也是世界之最，它由我國天文學(xué)家南仁東帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)于1994年提出構(gòu)想，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)主導(dǎo)建設(shè)，具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是當(dāng)今世界最大單口徑、最靈敏的射電天文望遠(yuǎn)鏡。

今天，讓我們一起走近這個(gè)遙望星空的國家大工程——“中國天眼”FAST。

登高遠(yuǎn)眺，感知“天眼”規(guī)模之大、能力之強(qiáng)

從1937年世界上第一架口徑9.5米的射電天文望遠(yuǎn)鏡建成至今，射電天文望遠(yuǎn)鏡的口徑不斷增大，這是因?yàn)樗撵`敏度與其反射面口徑成正比。人類要想不斷探索遙遠(yuǎn)深邃宇宙中的奧秘，就必須研制更大口徑的射電天文望遠(yuǎn)鏡。

被稱為世界最大單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡的“中國天眼”，其反射面是由4450塊、186種大小不同的三角形反射板組成，每塊板的平均邊長(zhǎng)約為11米，其反射面總面積相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。

從1994年啟動(dòng)選址，到2011年動(dòng)工，再到2016年竣工，建設(shè)者們用了22年時(shí)間，建成了這座舉世矚目的“中國天眼”。

大家可能會(huì)想，“中國天眼”除了大，還有什么獨(dú)特之處呢？捕獲“天外之聲”，探析宇宙奧秘，它有能力間接觀測(cè)暗物質(zhì)和暗能量，可從宇宙起源到星際介質(zhì)的探索、對(duì)暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜索、對(duì)地外理性生命的搜索等方面，實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的重大突破。

作為射電天文望遠(yuǎn)鏡，“能捕捉到更微弱的信號(hào)”才是核心能力所在。所以，“中國天眼”最為突出的，就是其超強(qiáng)的靈敏度。正如我國著名光電子學(xué)家王啟明所說：“假設(shè)你在月球上打電話，F(xiàn)AST就可以探測(cè)到你的信號(hào)。”由于勝人一籌的靈敏度，F(xiàn)AST能探測(cè)到更暗弱的天體。

美國物理學(xué)家約瑟夫·泰勒曾介紹，自己在美國阿雷西博305米口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡的幫助下，與另一學(xué)者共同發(fā)現(xiàn)了雙星系統(tǒng)脈沖星，繼而利用該望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，為引力波的存在提供了堅(jiān)實(shí)的證據(jù)，于1993年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。有關(guān)科學(xué)家說，F(xiàn)AST與被評(píng)為人類20世紀(jì)“十大工程”之首的美國阿雷西博305米口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡相比，靈敏度提高2倍。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)鄭曉年也表示，作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來10至20年內(nèi)保持世界一流設(shè)備的地位。

深空狩獵，科學(xué)家們特別希望FAST能夠發(fā)現(xiàn)銀河系外新的天體，特別是快速旋轉(zhuǎn)、密度極高的脈沖星。如果FAST能發(fā)現(xiàn)河外星系中的射電脈沖星，將在國際上具有開創(chuàng)性意義。

據(jù)了解，雖然建成的時(shí)間不長(zhǎng)，但FAST工程的技術(shù)團(tuán)隊(duì)已開始著手進(jìn)行相關(guān)觀測(cè)。

置身其中，感知“天眼”設(shè)計(jì)之精、工程之巧

如果有幸能夠走近“中國天眼”，那么你一定會(huì)被其各個(gè)環(huán)節(jié)的精巧設(shè)計(jì)所震撼。

“中國天眼”有著數(shù)不盡的“神工天巧”，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)就是其中最亮眼的一個(gè)。作為主動(dòng)反射面的主要支撐結(jié)構(gòu)，其索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是反射面主動(dòng)變位工作的關(guān)鍵點(diǎn)。它的一些關(guān)鍵指標(biāo)，遠(yuǎn)高于國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)范要求。例如，主索長(zhǎng)度控制精度須達(dá)到1毫米以內(nèi)，主索節(jié)點(diǎn)的位置精度須達(dá)到5毫米以內(nèi)。其中，索構(gòu)件疲勞強(qiáng)度不得低于500兆帕，相當(dāng)于國際規(guī)范定值的2.5倍。因此，它被視為當(dāng)今世界跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

6670根主索、2225個(gè)主索節(jié)點(diǎn)及相同數(shù)量的下拉索，完整地拼出了FAST的索網(wǎng)。拼裝完成后，F(xiàn)AST的巨大反射面看起來就像一口“超級(jí)大鍋”，6個(gè)支撐塔高高豎起，網(wǎng)格逐漸爬滿了“鍋”底，向上延伸“咬住”環(huán)梁，反射面面板一圈一圈鋪滿索網(wǎng)的空隙，織完巨網(wǎng)。

這一索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是世界上第一個(gè)采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。也就是說，索網(wǎng)可以根據(jù)觀測(cè)天體的方位，啟動(dòng)促動(dòng)器控制下拉索，在FAST反射面的不同區(qū)域形成直徑為300米的拋物面，以實(shí)現(xiàn)精確觀測(cè)。有人把這個(gè)可移動(dòng)的拋物面形象地稱為“中國天眼”的“虹膜”。

提到“虹膜”，就不得不再說說“中國天眼”的“瞳孔”——饋源艙。饋源是指射電天文望遠(yuǎn)鏡用來接收天體信號(hào)的系統(tǒng)，饋源艙就是用于安放這個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái)。

美國阿雷西博射電天文望遠(yuǎn)鏡的饋源平臺(tái)重近千噸，幾乎等于用固定軌道把平臺(tái)架設(shè)在半空。這樣的設(shè)計(jì)，雖有利于饋源的定位，卻縮小了觀測(cè)角度。FAST最終創(chuàng)新性地采取輕型索支撐饋源平臺(tái)方案，把饋源艙減重到30噸，由6條600多米長(zhǎng)的鋼索吊在空中精準(zhǔn)定位，誤差不超過48毫米。這樣的工程難度，世界上前所未有。

“我們采用了光機(jī)電一體化技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了輕型索支撐饋源平臺(tái)，并使用并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行二次精調(diào)，實(shí)現(xiàn)高精度指向跟蹤。這也是FAST的‘三大自主創(chuàng)新’之一。”FAST饋源支撐系統(tǒng)總工程師朱文白說，“通過卷揚(yáng)機(jī)收放鋼索，可以驅(qū)動(dòng)饋源艙在一個(gè)距離地面高140米至180米、直徑為207米的球冠面上運(yùn)動(dòng)，最大定位精度小于10毫米。”

FAST建設(shè)之精巧，還體現(xiàn)在選址上。科技人員利用平塘縣喀斯特漏斗洼地，依托當(dāng)?shù)鬲?dú)特的山體優(yōu)勢(shì)，順勢(shì)建成了“中國天眼”。

“天然的喀斯特地形，可使雨水不會(huì)存積，與望遠(yuǎn)鏡形狀接近的山體洼地，又可以令工程開挖量大大減少，從而節(jié)省工程造價(jià)。”國家天文臺(tái)高級(jí)工程師朱明介紹，科研人員對(duì)臺(tái)址選擇制訂了非常“苛刻”的篩選指標(biāo)，既要研究臺(tái)址自身的巖體結(jié)構(gòu)、水文情況、長(zhǎng)短軸比例、挖填方率是否合適，還要考察臺(tái)址山形的閉合情況、幾何形狀是否達(dá)標(biāo)，最后再綜合臺(tái)址地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害、地震風(fēng)險(xiǎn)、氣象條件、無線電環(huán)境等是否滿足條件。

經(jīng)過10余年的精挑細(xì)選和實(shí)地勘察，現(xiàn)址從一萬多個(gè)備選地點(diǎn)中脫穎而出。

縱觀中外，感知“天眼”建設(shè)之快、影響之廣

我國的射電天文學(xué)研究起步比國際上其他國家晚了許多年。“起步比別人晚，就要比別人花時(shí)間多一點(diǎn)、走得快一點(diǎn)，否則永遠(yuǎn)趕不上。”FAST首席科學(xué)家、總工程師南仁東把生命中近三分之一的時(shí)光都奉獻(xiàn)給了FAST。

1993年，國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)在日本東京舉行。有科學(xué)家提出，在全球電波環(huán)境繼續(xù)惡化之前，人類應(yīng)該建造新一代射電天文望遠(yuǎn)鏡，接收更多外太空的訊息。南仁東認(rèn)為，這對(duì)中國來說是個(gè)千載難逢的好機(jī)會(huì)。“建造新一代射電天文望遠(yuǎn)鏡”這個(gè)大膽的設(shè)想油然而生。然而，對(duì)于20世紀(jì)90年代初的中國來講，如此設(shè)想可謂“膽量超大”。

盡管如此，南仁東還是毅然決然地選擇了堅(jiān)持。他為找到一個(gè)合適的臺(tái)址，用了10余年時(shí)間走遍貴州的山山水水，實(shí)地考察了上百個(gè)窩凼。

終于，2007年7月，F(xiàn)AST作為“十一五”重大科學(xué)裝置正式被國家批準(zhǔn)立項(xiàng)。從那一天起，F(xiàn)AST就如同其英文縮寫的含義（快速）一樣，開始了快速建設(shè)之旅。

FAST快在沒有延期一天。工程建設(shè)從2011年3月5日開工報(bào)告批復(fù)之日起，到2016年9月25日如期竣工，歷時(shí)2011天，全程沒有出過重大安全事故。

FAST快在調(diào)試期不到兩年。大型望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試期一般超過4年，比如美國綠岸GBT望遠(yuǎn)鏡（100米）花了6年，意大利SRT望遠(yuǎn)鏡（64米）超過5年。

FAST快在調(diào)試階段就已開始進(jìn)行早期科學(xué)研究。在不斷校準(zhǔn)“中國天眼”的“視力”過程中，中國天文學(xué)家們爭(zhēng)分奪秒地開展科學(xué)觀測(cè)。在望遠(yuǎn)鏡還不能移動(dòng)的情況下，他們就采用漂移掃描的方式，讓地球自轉(zhuǎn)帶著“中國天眼”巡天。建成還不到一年，F(xiàn)AST就實(shí)現(xiàn)了精確跟蹤觀測(cè)模式，驗(yàn)證了它超高的靈敏度和望遠(yuǎn)鏡效率。

FAST快在調(diào)試階段就開始系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新脈沖星。目前已發(fā)現(xiàn)了90余顆脈沖星候選體。這歸功于科學(xué)團(tuán)隊(duì)提前準(zhǔn)備，對(duì)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了相應(yīng)的觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練，開發(fā)了創(chuàng)新搜索軟件和數(shù)據(jù)庫……

科技是國之利器，大科學(xué)裝置無疑是利器的鋒刃，是當(dāng)之無愧的國之重器。

22年鑄就而成的“中國天眼”，值得信賴，更值得期待！

韓阜業(yè)