中國“天眼”，志在高遠(yuǎn)

陳冰+余思易

500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，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(yuǎn)鏡。它的落成啟用，對我國在科學(xué)前沿實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展具有重要意義。

冥昭瞢暗，誰能極之？馮翼惟象，何以識之？這是兩千多年前屈原在《天問》中對于位于人類之上的星空所發(fā)之問。如今，國人終于可以傲然的給出答案——中國天眼。

中國天眼，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼的喀斯特洼坑中，專業(yè)名稱是“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”，簡稱FAST。這座巨大的射電望遠(yuǎn)鏡最初由我國天文學(xué)家于1994年提出構(gòu)想，由中國科學(xué)院國家天文臺主導(dǎo)建設(shè)，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(yuǎn)鏡。

開創(chuàng)先河的中國天眼

巧妙借助云貴地區(qū)特有的喀斯特環(huán)狀洼地，F(xiàn)AST利用周圍三座山峰的地勢，像架在鍋架上的“鍋”一樣建造起來。它聆聽著137億光年外的宇宙電波信號，幫助天文學(xué)家研究脈沖星、氫輻射，甚至還能尋找外星文明的蹤跡，是名副其實的“天眼”。FAST于2016年9月25日在貴州省平塘縣落成啟用。這個目前中國保持領(lǐng)先的天文工程，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式，被認(rèn)為將在未來10至20年內(nèi)保持世界一流地位。

在此之前，世界上保持領(lǐng)先的射電望遠(yuǎn)鏡，一個是德國100米直徑的“埃菲爾斯伯格”，一個是美國300米直徑的“阿雷西博”。而FAST的天線口徑為500米，目前已是國際上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，與號稱“地面最大的機器”——德國“埃菲爾斯伯格”100米望遠(yuǎn)鏡相比，其靈敏度提高約10倍。如果天體在宇宙空間均勻分布，F(xiàn)AST可觀測目標(biāo)的數(shù)目將增加約30倍。與美國“阿雷西博”300米望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST靈敏度高2.25倍。

據(jù)天文學(xué)家預(yù)測，F(xiàn)AST將在未來二三十年保持世界一流設(shè)備的地位，并將吸引國內(nèi)外一流人才和前沿科研課題，成為國際天文學(xué)術(shù)交流中心。更重要的是，以前中國進行天文學(xué)研究總是得借助他國的天文望遠(yuǎn)鏡，因此中國天文研究一直落后于世界，現(xiàn)在FAST的建成，讓中國有了自己的天文望遠(yuǎn)鏡，而且還是世界上最大的、最精準(zhǔn)的，這無疑才是讓國人備感自豪的地方。

“浩瀚星空，廣袤蒼穹，自古以來寄托著人類的科學(xué)憧憬。天文學(xué)是孕育重大原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的前沿科學(xué)，也是推動科技進步和創(chuàng)新的戰(zhàn)略制高點。500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡被譽為‘中國天眼，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(yuǎn)鏡。它的落成啟用，對我國在科學(xué)前沿實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展具有重要意義。”習(xí)近平主席如是說。

“從選址開始，F(xiàn)AST的建造就充滿艱辛和不易。”臺址與觀測基地系統(tǒng)總工程師朱博勤說?！霸谄降厣辖ò倜滓陨系纳潆娡h(yuǎn)鏡，巨大的自重就會造成形變，一陣風(fēng)也會讓它變形。所以科學(xué)家們決定選擇在洼地里建造。而在具體選址時，則既要考慮電磁波環(huán)境、地質(zhì)條件，還要考慮造價問題?！敝觳┣谡f，“在排除了火山口、礦坑和隕石坑等低洼地形后，我們鎖定了喀斯特地貌?！笨茖W(xué)家們前后總共考察了400多個洼地，經(jīng)過反復(fù)比較論證，最終選定了貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的大窩凼洼地。

此后，F(xiàn)AST的創(chuàng)意經(jīng)過多年反復(fù)錘煉，其間對主動反射面、光機電一體化的饋源支撐系統(tǒng)、高精度的測量與控制、接收機等多項關(guān)鍵技術(shù)開展了合作研究，凝聚了來自多家科研單位的眾多中國科學(xué)家的創(chuàng)新研究。

FAST能做什么

射電望遠(yuǎn)鏡也是天文望遠(yuǎn)鏡的一種。千百年來，人類僅僅是通過可見光波段來觀測整片星空的天體，而實際上，天體具有的輻射覆蓋著整個電磁波段。電磁波（又稱電磁輻射）是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面，有效地傳遞能量和動量。而射電望遠(yuǎn)鏡，觀測的正是電磁波所傳遞的天文學(xué)信息。

射電天文望遠(yuǎn)鏡通常由三個主要部分構(gòu)成：匯聚電磁波的反射面、收集信號的接收機以及指向裝置。為實現(xiàn)跨越式發(fā)展，中國天文界提出建造世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡 ——500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST）。FAST有著三大開創(chuàng)新的特征：利用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；采用輕型索拖動機構(gòu)和并聯(lián)機器人，實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡接收機的高精度定位。全新的設(shè)計思路，加之得天獨厚的臺址優(yōu)勢，F(xiàn)AST突破了望遠(yuǎn)鏡的百米工程極限，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。如果說射電望遠(yuǎn)鏡“鍋蓋”越大越靈敏，那么500米的“超級天眼”究竟有多靈敏呢？科學(xué)家打了個比方，有人在月亮上打手機，也逃不過它的“眼睛”。

天文設(shè)備按國際慣例都是開放的，但中國人要獨立申請使用國外望遠(yuǎn)鏡比較難。國內(nèi)外設(shè)備差距比較大，缺乏平等合作的基礎(chǔ)?！眹姨煳呐_“百人計劃”研究員、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程科學(xué)部主任朱明說，只有走自主研制之路，才可以扭轉(zhuǎn)這一局面?！?00米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡建成，將為我國天文學(xué)躋身世界一流創(chuàng)造條件。”中科院國家天文臺臺長嚴(yán)俊表示。國家天文臺射電天文研究部首席科學(xué)家、“千人計劃”專家李菂說，中國大射電在很多領(lǐng)域都具備超強的能力：發(fā)現(xiàn)氣體星系有望在過去的基礎(chǔ)上提高10倍，發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量有望翻倍，有望發(fā)現(xiàn)新的星際分子……

FAST作為一個多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺，對于我國科學(xué)家觀測許多天文學(xué)重要數(shù)據(jù)有著巨大的推動作用。FAST的本事可不?。篎AST有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，觀測暗物質(zhì)和暗能量，尋找第一代天體。一年時間內(nèi)，F(xiàn)AST大約能發(fā)現(xiàn)約7000顆脈沖星，從而研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律。除此之外，F(xiàn)AST作為最大的臺站加入國際甚長基線網(wǎng)，能為天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)成像，更是有希望發(fā)現(xiàn)奇異星和夸克星物質(zhì)?？茖W(xué)家們對于FAST有著廣闊的應(yīng)用前景：通過觀測中子星，科學(xué)家們無需依賴模型既能精確測定黑洞質(zhì)量；通過精確測定脈沖星到達(dá)時間，F(xiàn)AST甚至還能用來檢測引力波。endprint

FAST更是在我國當(dāng)代天文學(xué)許多重大需求方面有著重要應(yīng)用價值。FAST的建成，把我國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通信數(shù)據(jù)下行速率提高100倍；FAST將脈沖星到達(dá)時間測量精度由目前的120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈沖星計時陣，為自主導(dǎo)航這一前瞻性研究制作脈沖星鐘；FAST能進行高分辨率微波巡視，以1Hz的分辨率診斷識別微弱的空間信號，作為被動戰(zhàn)略雷達(dá)為國家安全服務(wù)。作為“子午工程”的非相干散射雷達(dá)接收系統(tǒng)，提供高分辨率和高效率的地面觀測；跟蹤探測日冕物質(zhì)拋射事件，服務(wù)于太空天氣預(yù)報。

除此之外，F(xiàn)AST的研究涉及了眾多惠及民生的高科技領(lǐng)域，如天線制造、高精度定位與測量、高品質(zhì)無線電接收機、傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理、超寬帶信息傳輸、海量數(shù)據(jù)存儲與處理等。FAST關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于諸多相關(guān)領(lǐng)域，如大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量、大型工業(yè)機器人研制以及多波束雷達(dá)裝置等。FAST的建設(shè)經(jīng)驗將對我國制造技術(shù)向信息化、極限化和綠色化的方向發(fā)展產(chǎn)生影響。

有了FAST，邊遠(yuǎn)閉塞的黔南喀斯特山區(qū)將變成世人矚目的國際天文學(xué)術(shù)中心，成為把貴州展現(xiàn)給世界的新窗口。以FAST為主體的天文科普基地將推進我國西部甚至全國的科普工作，教育青少年、宣傳公眾與決策層，為科教興國的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。

FAST的設(shè)計綜合體現(xiàn)了我國高技術(shù)創(chuàng)新能力。它將在基礎(chǔ)研究眾多領(lǐng)域，例如宇宙大尺度物理學(xué)、物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和規(guī)律等方向提供發(fā)現(xiàn)和突破的機遇，也將在日地環(huán)境研究、國家安全等方面發(fā)揮不可替代的作用。其建設(shè)將推動眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展，提高原始創(chuàng)新能力、集成創(chuàng)新能力和引進消化吸收再創(chuàng)新能力。

天眼之后，中國天文再上層樓

FAST工程副總經(jīng)理、辦公室主任張蜀新說，未來2至3年，F(xiàn)AST的重點工作是調(diào)試和試觀測工作?！翱茖W(xué)家總是希望能夠獲得高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，所以未來將通過調(diào)試和試觀測，以達(dá)到望遠(yuǎn)鏡的最佳性能。我們當(dāng)然也期待過程中會有一些令人驚喜的發(fā)現(xiàn)。”按計劃，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡將和我國其他5座射電望遠(yuǎn)鏡組成“天眼”群——甚長基線干涉測量網(wǎng)，并主導(dǎo)國際射電領(lǐng)域的低頻測量網(wǎng)，從而更好地獲取天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)。

未來5至10年，大射電等項目只是我國大望遠(yuǎn)鏡建設(shè)浪潮的前浪。據(jù)嚴(yán)俊透露，中國12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡已初步通過專家評審，有望于“十三五”規(guī)劃期間立項。目前，我國最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是位于云南麗江的2.4米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，與國際上領(lǐng)先的西班牙10.4米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、美國10米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和日本8米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等仍有較大差距。12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡建成后將為暗能量本質(zhì)、引力波源光學(xué)認(rèn)證和研究、太陽系外類地行星探測、超大質(zhì)量黑洞、第一代恒星等前沿科學(xué)問題提供在國際上有競爭力的觀測平臺。有紅外望遠(yuǎn)鏡，就有紫外望遠(yuǎn)鏡和X射線望遠(yuǎn)鏡，我國正計劃把望遠(yuǎn)鏡家族的基地拓展到空間領(lǐng)域。

今年年底，我國將發(fā)射自主研制的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，它可以進行寬波段大天區(qū)X射線巡天成像，具有獨特的觀測黑洞、中子星等高能天體多波段X射線快速光變的能力，并可以監(jiān)視天空的高能爆發(fā)現(xiàn)象?！半S著我國空間站逐步具備維護在軌航天器功能，建造中國版‘哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的呼聲也越來越高?！眹?yán)俊說，立體化作戰(zhàn)的望遠(yuǎn)鏡集群，不僅將大幅提升我國在天文科學(xué)與技術(shù)方面的自主創(chuàng)新能力，還能廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位、航天、深空探測等領(lǐng)域。

關(guān)鍵技術(shù)無先例可循、關(guān)鍵材料急需攻關(guān)、核心技術(shù)遭遇封鎖……從預(yù)研到建成的22年時間里，我國老中青三代科技工作者克服了不可想象的困難，實現(xiàn)了由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越，也為更多人投身這項科學(xué)事業(yè)奠定了基礎(chǔ)，點燃了人類向往太空的激情。

“從孩子第一次抬頭看到星星的那一刻，天文學(xué)其實就在他們心里埋下了種子。”國家天文臺射電天文研究部首席科學(xué)家、“千人計劃”專家李菂說。他希望天文學(xué)課程將來可以走進課堂，激發(fā)孩子們觀察星空、探索宇宙的興趣?！疤煳膶W(xué)的發(fā)展，是全人類認(rèn)識宇宙的智慧結(jié)晶。未來20年是射電天文乃至天文學(xué)的‘黃金時代，不斷增強的科技創(chuàng)新力，讓我們擁有向宇宙更深處探索、實現(xiàn)前沿科學(xué)領(lǐng)域突破的信心?！?中科院國家天文臺500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程副經(jīng)理彭勃說。

仰望星空，向來是擁有著理想的人類對于真理的不懈追求的體現(xiàn)。黑格爾曾說過，“一個民族，有一群仰望星空的人，這個民族才有希望”。無數(shù)的中華兒女通過20載的不懈努力，F(xiàn)AST的建造開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式，具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)，被認(rèn)為將在未來10至20年內(nèi)保持世界一流地位。這是我國在天文學(xué)領(lǐng)域的巨大突破，更是中國科技一步步邁向世界領(lǐng)先地位的象征。

綜合國力的加強，正讓我國科學(xué)界不斷地收益；而國家也越來越愿意在許多新興科技領(lǐng)域上花費重金以謀求發(fā)展。endprint