超級“大鍋”FAST 正式開啟“天眼”模式

王月亮

2016年9月25日，一口名為FAST的超級“大鍋”，在歷經(jīng)22年的漫長時光后，終于克服資金和技術(shù)上的重重困難，在貴州平塘的喀斯特洼坑里安家落戶——這無疑是本年度天文學(xué)界的一樁大事。FAST被譽為“中國天眼”，它的建成，將為中國探月工程和進(jìn)一步深空探測提供技術(shù)支持，并將在未來二三十年內(nèi)保持世界領(lǐng)先水平。

射電望遠(yuǎn)鏡，看你沒商量！

每一個領(lǐng)域都有它自己的明星，在望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡無疑是一位名聲顯赫的大明星。自從1990年4月被成功發(fā)射到太空為地球服役以來，26年中，哈勃望遠(yuǎn)鏡已繞地飛行十幾萬圈，執(zhí)行任務(wù)達(dá)120多萬次，為人類太空研究收集了大量資料，可謂勞苦功高。

不過，即使強大如哈勃，也有它的局限。與之相比，后來居上的射電望遠(yuǎn)鏡，無論在探測精度還是靈敏度上，都要遠(yuǎn)超哈勃。

說起射電望遠(yuǎn)鏡，它并不是一個新名詞。事實上，早在1931年，當(dāng)美國科學(xué)家卡爾·央斯基在新澤西州的貝爾實驗室里，發(fā)現(xiàn)每隔23小時56分04秒就會出現(xiàn)最大值的宇宙無線干擾電波時，他使用的天線系統(tǒng)——也就是最原始的射電望遠(yuǎn)鏡，就已經(jīng)引起了人們的注意。而與射電望遠(yuǎn)鏡密切相關(guān)的脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子這些20世紀(jì)60年代的4大天文學(xué)發(fā)現(xiàn)，更令射電望遠(yuǎn)鏡在天文學(xué)領(lǐng)域大放異彩。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今的射電望遠(yuǎn)鏡無疑更強大了。分布于美國夏威夷莫納克亞山天文臺、由10架射電望遠(yuǎn)鏡組成的美國超長基線陣列（VLBA），對太空天體的測量精度，可以達(dá)到哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的500倍，人類肉眼的60萬倍。這是什么概念呢？也就是說，它可以讓一個在紐約的人清晰地看見一張洛杉磯報紙上的文字！

射電望遠(yuǎn)鏡一般由天線、接收機、信息接收、處理和顯示系統(tǒng)等幾個主要部分構(gòu)成。有趣的是，號稱“天線”的部分其實并不是一根線，而是圓的，呈拋物面，看上去就像一口大鍋。與照相機光圈越大、拍攝時快門速度越快的道理相似，射電望遠(yuǎn)鏡的天線拋物面越大，接收外太空信號的性能就越強。而截至目前，世界上擁有最大拋物面的射電望遠(yuǎn)鏡，就是坐落于中國貴州平塘山區(qū)的FAST。

FAST，射電望遠(yuǎn)鏡中的“巨無霸”

FAST，是20世紀(jì)90年代中葉，由北京天文臺和國內(nèi)多所科研院校聯(lián)合成立，并由大型射電望遠(yuǎn)鏡中國推進(jìn)委員會共同提出并推進(jìn)的一個項目，建立的初衷，是為了爭取世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡國際合作項目落戶中國。從1994開始選址至今，F(xiàn)AST的項目研發(fā)和建造已歷時22個年頭，如今，它終于建成并可投入使用了。

不過，說起FAST這個英文名字，倒并非有意要取意為“快”，事實上，它是英文“Fivehundred-meter Aperture Spherical radio Telescope”的縮寫，全名為“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”。500米口徑的球面天線，其面積相當(dāng)于25個標(biāo)準(zhǔn)足球場那么大。就大小而言，F(xiàn)AST遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了號稱“地面最大機器”的德國波恩100米口徑望遠(yuǎn)鏡，以及美國的Arecibo 300米口徑望遠(yuǎn)鏡。這么大一個觀測宇宙的“天眼”坐落在崇山峻嶺間，不能不說霸氣十足。

但大并非FAST令國人驕傲的關(guān)鍵。FAST真正令世界矚目的，是它的三大自主技術(shù)創(chuàng)新。

首先，F(xiàn)AST是在世界上首次利用天然地貌建設(shè)的巨型望遠(yuǎn)鏡。之所以選擇貴州平塘縣，是因為這里有一片四周高中間低的天然洼地，正好可以容納500米口徑的巨大天線，大大節(jié)省了射電望遠(yuǎn)鏡基地建造的成本。另外，這里的熔巖地貌排水通暢，可減少流水對設(shè)備的腐蝕。而平塘的光污染和地面電磁波輻射相比其他地方較弱，這也保證了FAST在工作時不受干擾。

其次，F(xiàn)AST采用了主動反射面技術(shù)，整個球面由4 600多塊可運動的等邊球面三角形葉片組成，可以彎曲、活動，并連接著大量極具韌性的傳輸光纜。應(yīng)用于FAST上的光纜，能夠在5年內(nèi)抗6.6萬次拉伸，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了抗1 000次拉伸的國家標(biāo)準(zhǔn)。

再次，F(xiàn)AST采用輕型索拖動饋源技術(shù)，將千噸級別的饋源艙降至僅30萬噸，它還可以通過機器人操控，觀察到任意一個太空方位，覆蓋天頂角達(dá)到了美國研發(fā)產(chǎn)品的兩倍，并通過并聯(lián)機器人二級調(diào)整，實現(xiàn)了毫米級的動態(tài)定位精度。

FAST所擁有的這些自主技術(shù)創(chuàng)新，使它在靈敏度、分辨率和巡星速度上都站在了世界射電望遠(yuǎn)鏡的前沿，為我國進(jìn)一步的宇宙探測打開了一扇天窗。

和外星人對話，不是沒可能

對普通人來說，望遠(yuǎn)鏡無非是登上高山、站在大海邊看風(fēng)景的工具，但對天文學(xué)家而言，他們透過望遠(yuǎn)鏡看到的，是無窮無盡的宇宙奧秘及探索宇宙的樂趣。

宇宙的邊界究竟在哪里？它究竟有多大？在漫無邊際的宇宙中，究竟是否有地外文明存在？

為了探索這些疑問，科學(xué)家們從未停下腳步。阿波羅號登月，勇氣號、好奇號等火星探測器相繼登錄火星，2013年6月，美國國家宇航局的科學(xué)家又通過“孤獨信號”項目，借助詹姆斯堡通訊衛(wèi)星地面站，主動連續(xù)地向距離地球18光年的紅矮星發(fā)送了無線信號——所有這些行為都表明，人類是孤獨的，也是好奇的，我們渴望探索宇宙，并希望能在宇宙中找到朋友。

然而，這一切可能實現(xiàn)嗎？

目前，2013年人類發(fā)向太空的第一封“信”仍在途中，它的內(nèi)容是：“來自美國奇點大學(xué)（一所致力于培養(yǎng)未來科學(xué)家的學(xué)校）的問候。當(dāng)你收到這條信息時，科技已足以讓我們互相了解和交流?！鳖A(yù)計，這條簡短的信息，要在太空中航行18年才能抵達(dá)目的地。如果紅矮星上有地外文明，并及時破譯了人類無線信號并給地球發(fā)送了回信，那么又將歷時18年。

我們需要足夠的時間和耐心來等待回音，不過，誰又知道，外星文明就沒有在向地球發(fā)送信號呢？而FAST就像一臺巨大的超級收音機，可以探測到來自深空的極其微弱的電波，并通過接收系統(tǒng)將信號放大，對其進(jìn)行分離噪音處理，然后，經(jīng)過過濾的宇宙電波將被記錄器轉(zhuǎn)化為曲線。最終，這些曲線通過具有超大計算功能的計算機分析，轉(zhuǎn)化、輸出為人類可以聽見、看見和解讀的信號。說不定哪一天，與FAST相連的計算機，就會向我們傳來一句來自外太空的問候，或一張外星人的照片呢！