天眼：世界最大單口徑射電望遠鏡

人們把FAST形象比喻為“天眼”，這座世界最大單口徑射電望遠鏡的目標是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈沖星以及地外文明。簡而言之，這只“觀天巨眼”在未來可以使我們對宇宙產(chǎn)生全新的理解，把宇宙看得更通透。

如一個巨型天坑的大窩凼，是隱藏在貴州群山深處的一片天然洼地，這里只居住著12戶人家。架在貴州群山中的觀天“巨眼”FAST就坐落于此，F(xiàn)AST全稱為500米口徑球面射電望遠鏡，是我國“十一五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目之一，由中國科學院主管，中科院國家天文臺負責建設(shè)，用以實現(xiàn)大天區(qū)面積、高精度的天文觀測。

它的特殊之處在于，完全由我國科學家創(chuàng)新設(shè)計和研發(fā)制造，是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。它的落成啟用，利用了貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址;洼坑內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元組成500米球冠狀主動反射面;采用了輕型索拖動機構(gòu)和并聯(lián)機器人，實現(xiàn)了望遠鏡接收機的高精度定位。這樣全新的設(shè)計思路，相比于400年前人類第一架4.2厘米口徑的天文望遠鏡，F(xiàn)AST的口徑是它的12000倍。與號稱“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，F(xiàn)AST的靈敏度提高約10倍;與被評為人類20世紀十大工程之首的美國阿雷西博300米望遠鏡相比，其綜合性能提高約2.25倍。

從理論上說，F(xiàn)AST突破了望遠鏡的百米工程極限，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠鏡的新模式，它能接收到137億光年以外的電磁信號，這個距離接近于宇宙的邊緣。未來10年到20年它將保持世界一流設(shè)備的地位，肩負實現(xiàn)五大科學目標：巡視中性氫，探索暗物質(zhì)，探索暗能量，發(fā)現(xiàn)脈沖星，尋找地外文明。

為FAST找到“家”

臺址的選擇是中國科學家面臨的首要問題。貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼洼地，是專家們先根據(jù)衛(wèi)星遙感影像，對400多個備選洼地從形態(tài)特征、水文、地質(zhì)、氣象及電波環(huán)境等諸多方面進行初評，然后又通過計算機模擬工程填挖量，從中選出30多個實地考察，最后才選中了不大不小，深度合適，形狀很圓，適于施工建設(shè)的“大窩凼”。 這個天然洼地附近5公里半徑之內(nèi)沒有一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25公里半徑之內(nèi)只有一個縣城，無線電環(huán)境“相當理想”，加上貴州南部喀斯特峰叢洼地的特殊地貌，天坑底部多有暗河和落水洞，F(xiàn)AST望遠鏡的底部在暗河基礎(chǔ)上加修了一公里的引水渠，由此可以保障雨水向下滲透，不會腐蝕到望遠鏡。

不過即使坐擁這樣的天然優(yōu)勢，項目工程的建設(shè)施工也因特殊的喀斯特地貌存在諸多需要攻克的難點。例如在70度以上的峭壁上鋪設(shè)線路，必須用人力開挖，電纜和巨型設(shè)備也只能靠人力搬運，在天坑中建筑空間騰挪不開，為此施工人員需要用人工把幾十座鋼梁和幾十段框架，一點點搬運到恰當?shù)奈恢谩?/p>

對于選址在貴州喀斯特地貌地區(qū)的用意，中科院國家天文臺射電部首席科學家李菂解釋稱，貴州有不少喀斯特地貌天然形成的天坑，這樣的天然地形很有利于望遠鏡的建設(shè)。除了地形優(yōu)勢以外，目前射電望遠鏡在國際上面臨的挑戰(zhàn)，主要是射頻信號的干擾，干擾源主要來自手機、雷達、衛(wèi)星的信號，特別是全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號，這些都遠遠強于來自宇宙的信號，而貴州多山的地形可以一定程度上屏蔽這些人為信號的干擾。此外貴州相比中國其他地區(qū)，人口相對少一些，這些干擾也可以減弱一些。

能探尋更多宇宙秘密

中國科學院國家天文臺FAST工程首席科學家、總工程師南仁東這樣描述存在于宇宙深處的各種訊息：“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?！倍疤煅邸鼻∏【邆溥@樣的非凡本領(lǐng)，哪怕是遠在百億光年外的射電信號，它也有可能捕捉到。

FAST的建成，天文學將注定有許多突破。首先，F(xiàn)AST能夠發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星。發(fā)現(xiàn)于1967年的脈沖星是大質(zhì)量恒星演化的最終產(chǎn)物，是中子星的一種。中子星具有和太陽相當?shù)馁|(zhì)量，但半徑只有 10-20千米，是會周期性發(fā)射脈沖信號的星體，直徑大多為20千米左右，自轉(zhuǎn)極快（自轉(zhuǎn)周期是幾秒甚至幾個毫秒），是宇宙中旋轉(zhuǎn)冠軍。目前我們觀測到的約2000顆脈沖星均在銀河系內(nèi)，F(xiàn)AST將對準銀河系外去發(fā)現(xiàn)更多奇特的脈沖星，期望找到前所未見的脈沖星現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)突破性的理論。

專家介紹，脈沖星就像天體物理實驗室，可以研究一些特殊天體物理和宇宙演化現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)脈沖星與黑洞組成的雙星系統(tǒng)，科學家可以利用脈沖星去研究黑洞周圍時空。此外，脈沖星也是非常精準的時鐘，對于深空探測具有重要意義。

FAST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫云團的運動。所謂中性氫，就是宇宙中未聚攏成恒星發(fā)光發(fā)熱的氫原子，是一個質(zhì)子加一個電子。本來從遠處是看不到氫原子的，但質(zhì)子和電子就像旋轉(zhuǎn)的星球一樣有磁極。如果電子磁極罕見地倒轉(zhuǎn)了，一種波長為21厘米的微弱電磁波就跑了出來。監(jiān)測21厘米波，不僅能判斷出哪里存在大量的中性氫，還能通過波長微小變化，判斷出這些氫原子在遠離還是靠近我們。

由此，F(xiàn)AST觀測中性氫信號，就能獲知星系之間互動的細節(jié)，還可能發(fā)現(xiàn)早期宇宙中剛剛形成的氫是怎么運動的，從而為宇宙發(fā)育史提供線索。類似的道理，F(xiàn)AST還能監(jiān)聽到一些太空有機分子發(fā)出的獨特電磁波，讓我們更精確地描繪出宇宙圖景。

如果幸運，F(xiàn)AST還將嘗試接收外星文明的電波，探尋地外文明。FAST能從宇宙的今天看到很遠的地方去，有助揭開宇宙起源之謎，甚至是“地外文明”，宇宙中的生命體或高智商“外星人”若存在，他們的產(chǎn)生、遺留之信息，若存在于浩瀚天宇中，有可能會被FAST探測并接收到。

編輯/韓靜