“觀天巨眼”的威力

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鏡（FAST）工程施工場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鏡，世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠鏡。

它被稱為“天眼”，用來傾聽宇宙深處聲音、觀測宇宙奧秘。

分辨“雷聲中的蟬鳴”

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

1933年，美國貝爾實驗室的科學家用一臺靈敏度很高的接收機意外發(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。對于射電望遠鏡來說，口徑越大看得越遠。全世界的射電天文學家都追求建造更大口徑的“鍋蓋”，以提高射電望遠鏡靈敏度。

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

“宇宙空間混雜各種輻射，遙遠的信號像雷聲中的蟬鳴，沒有超級靈敏的‘耳朵，根本就分辨不出來。”中國科學院國家天文臺500米口徑球面射電望遠鏡工程首席科學家、總工程師南仁東說。

此前，世界上最靈敏的射電望遠鏡，分別是德國波恩100米望遠鏡和美國阿雷西博300米望遠鏡。前者是可以移動“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)大會上，包括中國在內(nèi)的10國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議，渴望在電波環(huán)境徹底毀壞前，回溯原初宇宙，解答天文學中的眾多難題。

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

1995年底，北京天文臺聯(lián)合國內(nèi)20余所大學和研究所，成立了射電“大望遠鏡”中國推進委員會，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，中國科學家們進一步推進喀斯特概念，提出獨立研制一臺新型的喀斯特單元，即500米口徑球面射電望遠鏡。

為了給新一代射電“大望遠鏡”安家，科學家們通過衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個遍。彭勃回憶說，當時天文臺委托兩家院所進行獨立搜尋，從300多個候選洼坑中遴選。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鏡最獨到、成為世界最大最強的基礎(chǔ)。

絕不是“傻大粗”

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

中國科學院國家天文臺500米口徑球面射電望遠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。

“望遠鏡反射面總面積為25萬平方米，相當于30個標準足球場那么大。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。由于采用光機電一體化的饋源平臺，加之饋源艙內(nèi)的并聯(lián)機器人二次調(diào)整，它在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，可實現(xiàn)毫米級指向跟蹤，確保精確地聚集和監(jiān)聽宇宙中微弱的射電信號。

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

——主動反射面的索網(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，是國家標準的2.5倍;

——幫助反射面變位的2000多個液壓促動器通過伸縮實現(xiàn)精確定位、協(xié)同運動，還可將自身各項狀態(tài)信息上報給控制系統(tǒng)，滿足適時跟蹤、換源等運動要求;

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

“我們的最初設(shè)計理念源自美國阿雷西博望遠鏡。但跟阿雷西博相比，主動反射面系統(tǒng)是我們最大的創(chuàng)新。”彭勃說，大射電望遠鏡的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動變化，帶動索網(wǎng)上的4450個反射單元，在射電電源方向形成300米口徑瞬時拋物面，極大提升觀測效率。

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

大射電望遠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系統(tǒng)。

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

能否尋找地外文明？答案是肯定的

“跟其他射電望遠鏡一樣，中國大射電望遠鏡最主要的兩大科學目標是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈沖星，前者是研究宇宙大尺度物理學，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?！编崟阅暾f。

地球大氣層留給人類探索宇宙兩個窗口，一個是光學，一個是射電。對天文學家來說，如果光學望遠鏡是顯微鏡，那么射電望遠鏡就是CT機，可以獲得天體的超精細結(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，因為不同的波段觀測的頻率不一樣，觀測和研究目標就不一樣?！迸聿f，在大射電望遠鏡眼中，宇宙和宇宙天體是一種立體的呈現(xiàn)。

半個多世紀以來，全世界所有射電望遠鏡收集的能量尚翻不動一頁紙，中國大射電望遠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鏡的工作時間全部用于觀測脈沖星，它一年時間內(nèi)就有望將這個數(shù)量翻倍。”彭勃說，脈沖星可以用于脈沖星導航、脈沖星計時陣等應(yīng)用目標。

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

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

“針對大眾十分關(guān)心的大射電望遠鏡能否用于尋找地外文明，答案是肯定的。”彭勃表示，它是探測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、更暗弱的天體，通過探測星際分子、搜索可能的星際通訊信號，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劃完成安裝后，大射電望遠鏡將進行2個多月的系統(tǒng)調(diào)試，于9月底正式竣工投入使用。但要實現(xiàn)所有功能參數(shù)最優(yōu)化，它還要在兩三年的觀測中不斷調(diào)試完善。

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