揭秘“中國天眼”選址過程

白皓++王景爍

由于FAST的落戶，安放“觀天巨眼”的洼地也成為科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)，人們稱這個(gè)名叫“大窩凼”的自然洼地為“地球上最美的眼窩”。

9月25日，世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）在貴州省平塘縣正式投入使用，這一500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)在喀斯特地貌天然形成的洼地中，被稱為“中國天眼”。

FAST擁有30個(gè)足球場大的接收面積，可以實(shí)現(xiàn)大天區(qū)面積、高精度的天文觀測。FAST與目前號(hào)稱“地面最大機(jī)器”的德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比，靈敏度提高約10倍，與人類20世紀(jì)十大工程之首的美國Arecibo 300米望遠(yuǎn)鏡相比，綜合性能提高約10倍。

由于FAST的落戶，安放“觀天巨眼”的洼地也成為科學(xué)界關(guān)注的焦點(diǎn)，人們稱這個(gè)名叫“大窩凼”的自然洼地為“地球上最美的眼窩”。

選址從找到一萬多個(gè)“窩”開始

從2002年11月接到大射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址第二輪選址科研任務(wù)開始，貴州工業(yè)大學(xué)（后并入貴州大學(xué)）教師、地質(zhì)工程專業(yè)博士后宋建波面臨的第一個(gè)考驗(yàn)就是可供參考的資料極少。

“如果把每個(gè)可以建造望遠(yuǎn)鏡的天然洼地比作一個(gè)‘窩，那我們的研究范圍內(nèi)到底有多少‘窩，這些‘窩都在哪里？當(dāng)時(shí)沒有現(xiàn)成的資料，可以用的技術(shù)手段又非常有限，只能用‘笨辦法一個(gè)一個(gè)找，一個(gè)一個(gè)數(shù)。”宋建波說。

科研團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)了等身高的地形地質(zhì)圖里。從1：50萬的地形地質(zhì)圖看起，巖石的分布特征讓他們首先確定了“窩”肯定不會(huì)出現(xiàn)的地理位置，排除這些之后，其他區(qū)域就可能有適合望遠(yuǎn)鏡“安家”的“窩”。

地質(zhì)圖隨后被精確到1：1萬，團(tuán)隊(duì)成員開始在一張張茶幾大小的圖上沿著密密麻麻的等高線“找圈圈”：“圈圈”越圓、越大就越有可能是要找的目標(biāo)，“圈圈”旁邊螞蟻大小的數(shù)字則顯示這是一座山峰還是一個(gè)“窩”。

“發(fā)現(xiàn)一個(gè)‘窩拿筆記錄下一個(gè)，看了8000多幅圖，最后找出來一萬多個(gè)‘窩?！彼谓úㄕf，現(xiàn)在FSAT所在的“窩”就是其中一個(gè)，當(dāng)時(shí)看圖就感覺眼前一亮，“但哪個(gè)最合適不是感覺出來的，得靠科學(xué)?！?/p>

2003年7月，經(jīng)過數(shù)次篩選，一個(gè)由743個(gè)“窩”組成的備選洼地?cái)?shù)據(jù)庫正式形成。緊接著，科研團(tuán)隊(duì)拿著一份“苛刻”的指標(biāo)，評(píng)價(jià)每一個(gè)“窩”的情況——“窩”內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)、水文情況、長短軸比例、挖填方率是否合適；“窩”口的閉合情況、幾何形狀是否達(dá)標(biāo)；整個(gè)“窩”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。

最終，743個(gè)“窩”被篩選出82個(gè)成為重點(diǎn)考察對(duì)象，這些喀斯特洼地集中分布于貴州黔南布依族苗族自治州、黔西南布依族苗族自治州和安順市境內(nèi)。

82個(gè)“窩”里尋找解題之道

“翻山越嶺，82個(gè)‘窩一個(gè)都不能少?！彼谓úɑ貞浾f，當(dāng)時(shí)貴州的交通狀況很差，有時(shí)調(diào)查一個(gè)“窩”路上要花一天時(shí)間，越野車順著狹窄的山路前進(jìn)，一邊是大山，一邊是懸崖，開到實(shí)在沒辦法前進(jìn)的地方就停下來，大家徒步走到“窩”里。

實(shí)地調(diào)查并不是看看大山、敲敲石頭那么簡單，除了觀察巖體和地質(zhì)結(jié)構(gòu)，山體里的水系統(tǒng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡的“人身安全”意義重大，一旦“窩”底的排水系統(tǒng)堵塞，山體中的水將無法流入地下暗河，望遠(yuǎn)鏡就有被淹沒的危險(xiǎn)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)經(jīng)常要找到每一處水源，沿著明河、暗河行走研究水動(dòng)力的過程，時(shí)常需要在三伏天頂著烈日走上很長時(shí)間。

調(diào)查途中遇到困難，科研團(tuán)隊(duì)也不敢求助，當(dāng)時(shí)，這還是一項(xiàng)保密的科研任務(wù)。科研團(tuán)隊(duì)同時(shí)回避著一些地方政府的“公關(guān)”，一些地方官員打聽到選址消息后千方百計(jì)聯(lián)系科研團(tuán)隊(duì)，希望能把建設(shè)地址定在自己的縣里，一方面在建設(shè)周期帶動(dòng)的投資拉動(dòng)效益巨大，另一方面大射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、社會(huì)、科技水平的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。

整個(gè)團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)抱著一個(gè)信念：哪個(gè)地址最合適要靠科學(xué)計(jì)算成果得出來，選址結(jié)果要對(duì)歷史負(fù)責(zé)。

兩個(gè)多月的實(shí)地調(diào)查后，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)入了近一年的核心攻關(guān)階段：他們計(jì)劃開發(fā)一套仿真系統(tǒng)，立體呈現(xiàn)每一個(gè)重點(diǎn)考察的“窩”和大射電望遠(yuǎn)鏡結(jié)合在一起的樣子，再對(duì)建設(shè)中需要考慮的幾何、地質(zhì)、工程等條件進(jìn)行綜合計(jì)算。

這套系統(tǒng)的學(xué)名叫做“洼地三維仿真和臺(tái)址優(yōu)選系統(tǒng)”，宋建波解釋說，通俗講就是用來計(jì)算每個(gè)洼地最合適建多大口徑的望遠(yuǎn)鏡，如果確定要建500米口徑的FAST望遠(yuǎn)鏡，那么就計(jì)算哪個(gè)“窩”建設(shè)工程量最小。

“這是我們科研團(tuán)隊(duì)的首創(chuàng)，做出來了以后類似的望遠(yuǎn)鏡選址都能用上，選址難題就能找到解決之道?！彼谓úㄕf，這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用起來輕巧，但開發(fā)起來比想象中難很多，開發(fā)者除了要有地質(zhì)學(xué)的知識(shí)外，還需要扎實(shí)的數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)功底，“有時(shí)還需要一些靈感?！?/p>

宋建波反復(fù)說，核心攻關(guān)的過程中“累慘了”，團(tuán)隊(duì)成員都剛剛30出頭，有時(shí)吵上幾句，有時(shí)發(fā)發(fā)牢騷，通宵工作后睡辦公室是常事。

系統(tǒng)最終給出了團(tuán)隊(duì)最想要的答案：挖方模型計(jì)算誤差僅為0.44%，填方模型計(jì)算誤差為0.66%，系統(tǒng)使計(jì)算效率大大提高，與此同時(shí)，系統(tǒng)還能計(jì)算出整個(gè)望遠(yuǎn)鏡球心的建設(shè)位置，這將有利于施工階段減少誤差。

“大窩凼”最終浮出水面

在“洼地三維仿真和臺(tái)址優(yōu)選系統(tǒng)”的支撐下，通過專業(yè)的定性分析和定量計(jì)算，科研團(tuán)隊(duì)給出了首批FAST核心備選臺(tái)址，推薦中排名第一的“窩”就是“大窩凼”，用5種方法計(jì)算出的結(jié)果均為“好”?！按蚨唷薄吧板伇ずJ沖”“商家沖”3個(gè)“窩”分列二到四名。

計(jì)算結(jié)果同時(shí)顯示，“大窩凼”最適宜建設(shè)的射電望遠(yuǎn)鏡口徑為546米，最符合FAST500米口徑的需求。之后，科研團(tuán)隊(duì)對(duì)“大窩凼”進(jìn)行了更加細(xì)致的研究和計(jì)算。

FAST接收的信息一般是來自遙遠(yuǎn)宇宙極弱的天體無線電信號(hào)，任何輕微的電波干擾都將使FAST失去威力，同時(shí)，氣候要素也影響著FAST的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和正常使用，冰雹是影響望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害。為此，2004年2月至2005年2月，貴州省無線電管理委員會(huì)和貴州省氣象局對(duì)“大窩凼”進(jìn)行了長達(dá)一年的無線電環(huán)境檢測和氣候環(huán)境監(jiān)測。

2006年，F(xiàn)AST項(xiàng)目正式?jīng)Q定選址貴州平塘“大窩凼”。

“事實(shí)證明我們找到了FAST最合適的家?！彼谓úǜ锌?，大約4年的科研努力在宣布決定選址的那一刻感覺值了，“算是當(dāng)時(shí)平均年齡32歲的一群年輕人創(chuàng)造出的驚喜?！?/p>

隨著研究的深入，團(tuán)隊(duì)除了進(jìn)行FAST項(xiàng)目的選址研究外，還把目光投向了一個(gè)簡稱為SKA的項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃建設(shè)接收面積達(dá)到一平方公里的射電望遠(yuǎn)鏡陣，以觀測到更多的天文信息，幫助解決目前困擾科學(xué)界的眾多尖端問題。

2004年，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)對(duì)中國SKA站址進(jìn)行了嚴(yán)格的布局要求，要求中國SKA臺(tái)址的核心區(qū)盡可能包括FAST臺(tái)址，已建成的新疆、北京、青海、上海、云南5個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址必須在SKA臺(tái)址核心區(qū)的對(duì)數(shù)螺旋線（天文學(xué)專有名詞——記者注）上，同時(shí)要完成更多臺(tái)址的選址，以滿足望遠(yuǎn)鏡接收面積達(dá)到一平方公里。

面對(duì)這個(gè)同樣是“世界級(jí)”難度的選址問題，科研團(tuán)隊(duì)在前期研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了“中國SKA臺(tái)址布局可視化系統(tǒng)程序”，并計(jì)算出兩個(gè)方案：一種是建63個(gè)口徑相對(duì)較大的望遠(yuǎn)鏡，一種是建126個(gè)口徑相對(duì)較小的望遠(yuǎn)鏡。

“這意味著，未來中國建造射電望遠(yuǎn)鏡陣的‘窩也選好了。”宋建波說，F(xiàn)AST啟用是個(gè)重要的開始。