FAST：望遠(yuǎn)鏡家族的掌門人

何穎

如果乘直升機(jī)從貴州省平塘縣上空飛過(guò)，你很有可能會(huì)看到一個(gè)銀白色的“巨鍋”架在整個(gè)山谷之間，而四周的高山則像支撐“巨鍋”的架子。看到這種類似“鍋”狀物的物體，我們第一反應(yīng)肯定會(huì)覺(jué)得它是個(gè)信號(hào)接收裝置。但當(dāng)我告訴你，它其實(shí)是個(gè)望遠(yuǎn)鏡，你會(huì)不會(huì)大吃一驚？

這個(gè)有30個(gè)足球場(chǎng)大小的“觀天巨眼”，是世界上最大的單口徑球面望遠(yuǎn)鏡（英文簡(jiǎn)稱FAST），口徑達(dá)500米。400年前，人類第一架天文望遠(yuǎn)鏡的口徑僅有4.2厘米，F(xiàn)AST的口徑是它的12000倍。與號(hào)稱“地面最大的機(jī)器”德國(guó)波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST的靈敏度提高了近10倍；與被評(píng)為人類20世紀(jì)十大工程之首的美國(guó)阿雷西博300米望遠(yuǎn)鏡相比，其綜合性能提高了約2.25倍。作為世界上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來(lái)20～30年保持世界一流設(shè)備的地位，成為望遠(yuǎn)鏡家族的掌門人。

與我們對(duì)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡固有的印象不同，F(xiàn)AST是射電望遠(yuǎn)鏡，它既沒(méi)有高高豎起的望遠(yuǎn)鏡鏡筒，也沒(méi)有物鏡、目鏡。FAST它是由天線和接收系統(tǒng)兩大部分組成，天線對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，就好比是它的眼睛，它的作用相當(dāng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的物鏡。它要把微弱的宇宙無(wú)線電信號(hào)收集起來(lái)，再通過(guò)一根特制的管子（波導(dǎo)）把收集到的信號(hào)傳送到接收機(jī)中去放大，然后從噪音中分離出有用的信號(hào)，并傳給后端的計(jì)算機(jī)記錄下來(lái)。記錄的結(jié)果為許多彎曲的曲線，天文學(xué)家通過(guò)分析這些曲線，就能得到天體送來(lái)的各種宇宙信息。

作為世界最大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST到底有多厲害呢？

首先，F(xiàn)AST口徑大，看得遠(yuǎn)。射電望遠(yuǎn)鏡最重要的指標(biāo)參數(shù)就是靈敏度。靈敏度越高，望遠(yuǎn)鏡探測(cè)微弱無(wú)線電的能力就越強(qiáng)。而要想提高靈敏度，就需要擴(kuò)大射電望遠(yuǎn)鏡的口徑。FAST的口徑已達(dá)到了世界之最——500米。理論上，F(xiàn)AST能接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，這個(gè)距離接近于宇宙的邊緣。

其次，F(xiàn)AST擁有靈活自如的“巨眼”。根據(jù)FAST的工作原理，當(dāng)它觀測(cè)天體時(shí)，會(huì)隨著天體的方位而變化，在其500米的球冠狀主動(dòng)反射面上實(shí)時(shí)形成一個(gè)300米直徑的瞬時(shí)拋物面，并通過(guò)這個(gè)300米的拋物面來(lái)匯聚電磁波。形象地說(shuō)，如果把FAST比作一只巨大的眼睛，那么這只巨眼的眼球直徑就有500米，而負(fù)責(zé)接收光線的眼珠直徑就有300米。FAST就是靠這個(gè)巨大靈活的眼珠來(lái)匯聚電磁波、觀測(cè)深空。

第三，毫米精度。FAST的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào)，聚集在藥片大小的空間里，否則，就無(wú)法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號(hào)。500米的結(jié)構(gòu)，處處都是頭發(fā)絲般毫米級(jí)的精度要求。用來(lái)編織索網(wǎng)的7000多根手臂般粗細(xì)的鋼纜，每一根的加工精度都被控制在1毫米以內(nèi)；最終500米口徑的天線精度是3毫米，每一塊小面板的制造精度是1.5毫米。

最后，F(xiàn)AST能夠沖出銀河系，尋找新星，特別是快速旋轉(zhuǎn)、密度極高的脈沖星，F(xiàn)AST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，掌握星系之間互動(dòng)的細(xì)節(jié)，揭秘宇宙的起源和演化。類似的道理，F(xiàn)AST還能監(jiān)聽到一些太空有機(jī)分子發(fā)出的獨(dú)特電磁波，搜索可能的星際通訊信號(hào)和外星生命。

FAST射電望遠(yuǎn)鏡的建成使用，可以將我國(guó)空間測(cè)控能力由月球同步軌道延伸至太陽(yáng)系邊緣，這將為我國(guó)火星探測(cè)等深空研究奠定重要基礎(chǔ)。