領(lǐng)略“中國天眼”的獨特魅力

　　隨著人類科學(xué)技術(shù)的進步，遙望“宇宙之光”的天文學(xué)在20世紀(jì)30年代，衍生出新的分支學(xué)科——射電天文學(xué)。盡管這是一個年輕學(xué)科，但發(fā)展至今，已經(jīng)產(chǎn)生了6項相關(guān)的諾貝爾獎。上世紀(jì)的“四大天文發(fā)現(xiàn)”——類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射都是利用射電觀測手段測得的。射電天文學(xué)堪稱孕育重大天文發(fā)現(xiàn)的搖籃，在國際天文學(xué)界已成共識。

　　何為“射電”？它其實是天文學(xué)中的獨有說法，指的是來自天體的無線電波。曾幾何時，世界領(lǐng)先的射電天文望遠(yuǎn)鏡均由歐美國家建造。2016年，500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（英文簡寫“FAST”）在貴州省平塘縣建成，我國在相關(guān)領(lǐng)域跨入了世界先進行列。

　　FAST是中國之最，也是世界之最，它由我國天文學(xué)家南仁東帶領(lǐng)的團隊于1994年提出構(gòu)想，中國科學(xué)院國家天文臺主導(dǎo)建設(shè)，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，是當(dāng)今世界最大單口徑、最靈敏的射電天文望遠(yuǎn)鏡。

　　今天，讓我們一起走近這個遙望星空的國家大工程——“中國天眼”FAST。

　　登高遠(yuǎn)眺，感知“天眼”規(guī)模之大、能力之強

　　從1937年世界上第一架口徑9.5米的射電天文望遠(yuǎn)鏡建成至今，射電天文望遠(yuǎn)鏡的口徑不斷增大，這是因為它的靈敏度與其反射面口徑成正比。人類要想不斷探索遙遠(yuǎn)深邃宇宙中的奧秘，就必須研制更大口徑的射電天文望遠(yuǎn)鏡。

　　被稱為世界最大單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡的“中國天眼”，其反射面是由4450塊、186種大小不同的三角形反射板組成，每塊板的平均邊長約為11米，其反射面總面積相當(dāng)于30個標(biāo)準(zhǔn)足球場那么大。

　　從1994年啟動選址，到2011年動工，再到2016年竣工，建設(shè)者們用了22年時間，建成了這座舉世矚目的“中國天眼”。

　　大家可能會想，“中國天眼”除了大，還有什么獨特之處呢？捕獲“天外之聲”，探析宇宙奧秘，它有能力間接觀測暗物質(zhì)和暗能量，可從宇宙起源到星際介質(zhì)的探索、對暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜索、對地外理性生命的搜索等方面，實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的重大突破。

　　作為射電天文望遠(yuǎn)鏡，“能捕捉到更微弱的信號”才是核心能力所在。所以，“中國天眼”最為突出的，就是其超強的靈敏度。正如我國著名光電子學(xué)家王啟明所說：“假設(shè)你在月球上打電話，F(xiàn)AST就可以探測到你的信號。”由于勝人一籌的靈敏度，F(xiàn)AST能探測到更暗弱的天體。

　　美國物理學(xué)家約瑟夫·泰勒曾介紹，自己在美國阿雷西博305米口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡的幫助下，與另一學(xué)者共同發(fā)現(xiàn)了雙星系統(tǒng)脈沖星，繼而利用該望遠(yuǎn)鏡進行長期觀測，為引力波的存在提供了堅實的證據(jù)，于1993年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。有關(guān)科學(xué)家說，F(xiàn)AST與被評為人類20世紀(jì)“十大工程”之首的美國阿雷西博305米口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡相比，靈敏度提高2倍。

　　中國科學(xué)院國家天文臺副臺長鄭曉年也表示，作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來10至20年內(nèi)保持世界一流設(shè)備的地位。

　　深空狩獵，科學(xué)家們特別希望FAST能夠發(fā)現(xiàn)銀河系外新的天體，特別是快速旋轉(zhuǎn)、密度極高的脈沖星。如果FAST能發(fā)現(xiàn)河外星系中的射電脈沖星，將在國際上具有開創(chuàng)性意義。

　　據(jù)了解，雖然建成的時間不長，但FAST工程的技術(shù)團隊已開始著手進行相關(guān)觀測。

　　置身其中，感知“天眼”設(shè)計之精、工程之巧

　　如果有幸能夠走近“中國天眼”，那么你一定會被其各個環(huán)節(jié)的精巧設(shè)計所震撼。

　　“中國天眼”有著數(shù)不盡的“神工天巧”，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)就是其中最亮眼的一個。作為主動反射面的主要支撐結(jié)構(gòu)，其索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是反射面主動變位工作的關(guān)鍵點。它的一些關(guān)鍵指標(biāo)，遠(yuǎn)高于國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)范要求。例如，主索長度控制精度須達(dá)到1毫米以內(nèi)，主索節(jié)點的位置精度須達(dá)到5毫米以內(nèi)。其中，索構(gòu)件疲勞強度不得低于500兆帕，相當(dāng)于國際規(guī)范定值的2.5倍。因此，它被視為當(dāng)今世界跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

　　6670根主索、2225個主索節(jié)點及相同數(shù)量的下拉索，完整地拼出了FAST的索網(wǎng)。拼裝完成后，F(xiàn)AST的巨大反射面看起來就像一口“超級大鍋”，6個支撐塔高高豎起，網(wǎng)格逐漸爬滿了“鍋”底，向上延伸“咬住”環(huán)梁，反射面面板一圈一圈鋪滿索網(wǎng)的空隙，織完巨網(wǎng)。

　　這一索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是世界上第一個采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。也就是說，索網(wǎng)可以根據(jù)觀測天體的方位，啟動促動器控制下拉索，在FAST反射面的不同區(qū)域形成直徑為300米的拋物面，以實現(xiàn)精確觀測。有人把這個可移動的拋物面形象地稱為“中國天眼”的“虹膜”。

　　提到“虹膜”，就不得不再說說“中國天眼”的“瞳孔”——饋源艙。饋源是指射電天文望遠(yuǎn)鏡用來接收天體信號的系統(tǒng)，饋源艙就是用于安放這個系統(tǒng)的平臺。

　　美國阿雷西博射電天文望遠(yuǎn)鏡的饋源平臺重近千噸，幾乎等于用固定軌道把平臺架設(shè)在半空。這樣的設(shè)計，雖有利于饋源的定位，卻縮小了觀測角度。FAST最終創(chuàng)新性地采取輕型索支撐饋源平臺方案，把饋源艙減重到30噸，由6條600多米長的鋼索吊在空中精準(zhǔn)定位，誤差不超過48毫米。這樣的工程難度，世界上前所未有。

　　“我們采用了光機電一體化技術(shù)，創(chuàng)新性地提出了輕型索支撐饋源平臺，并使用并聯(lián)機器人進行二次精調(diào)，實現(xiàn)高精度指向跟蹤。這也是FAST的‘三大自主創(chuàng)新’之一。”FAST饋源支撐系統(tǒng)總工程師朱文白說，“通過卷揚機收放鋼索，可以驅(qū)動饋源艙在一個距離地面高140米至180米、直徑為207米的球冠面上運動，最大定位精度小于10毫米。”

　　FAST建設(shè)之精巧，還體現(xiàn)在選址上。科技人員利用平塘縣喀斯特漏斗洼地，依托當(dāng)?shù)鬲毺氐纳襟w優(yōu)勢，順勢建成了“中國天眼”。

　　“天然的喀斯特地形，可使雨水不會存積，與望遠(yuǎn)鏡形狀接近的山體洼地，又可以令工程開挖量大大減少，從而節(jié)省工程造價。”國家天文臺高級工程師朱明介紹，科研人員對臺址選擇制訂了非常“苛刻”的篩選指標(biāo)，既要研究臺址自身的巖體結(jié)構(gòu)、水文情況、長短軸比例、挖填方率是否合適，還要考察臺址山形的閉合情況、幾何形狀是否達(dá)標(biāo)，最后再綜合臺址地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害、地震風(fēng)險、氣象條件、無線電環(huán)境等是否滿足條件。

　　經(jīng)過10余年的精挑細(xì)選和實地勘察，現(xiàn)址從一萬多個備選地點中脫穎而出。

　　縱觀中外，感知“天眼”建設(shè)之快、影響之廣

　　我國的射電天文學(xué)研究起步比國際上其他國家晚了許多年。“起步比別人晚，就要比別人花時間多一點、走得快一點，否則永遠(yuǎn)趕不上。”FAST首席科學(xué)家、總工程師南仁東把生命中近三分之一的時光都奉獻(xiàn)給了FAST。

　　1993年，國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會在日本東京舉行。有科學(xué)家提出，在全球電波環(huán)境繼續(xù)惡化之前，人類應(yīng)該建造新一代射電天文望遠(yuǎn)鏡，接收更多外太空的訊息。南仁東認(rèn)為，這對中國來說是個千載難逢的好機會。“建造新一代射電天文望遠(yuǎn)鏡”這個大膽的設(shè)想油然而生。然而，對于20世紀(jì)90年代初的中國來講，如此設(shè)想可謂“膽量超大”。

　　盡管如此，南仁東還是毅然決然地選擇了堅持。他為找到一個合適的臺址，用了10余年時間走遍貴州的山山水水，實地考察了上百個窩凼。

　　終于，2007年7月，F(xiàn)AST作為“十一五”重大科學(xué)裝置正式被國家批準(zhǔn)立項。從那一天起，F(xiàn)AST就如同其英文縮寫的含義（快速）一樣，開始了快速建設(shè)之旅。

　　FAST快在沒有延期一天。工程建設(shè)從2011年3月5日開工報告批復(fù)之日起，到2016年9月25日如期竣工，歷時2011天，全程沒有出過重大安全事故。

　　FAST快在調(diào)試期不到兩年。大型望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試期一般超過4年，比如美國綠岸GBT望遠(yuǎn)鏡（100米）花了6年，意大利SRT望遠(yuǎn)鏡（64米）超過5年。

　　FAST快在調(diào)試階段就已開始進行早期科學(xué)研究。在不斷校準(zhǔn)“中國天眼”的“視力”過程中，中國天文學(xué)家們爭分奪秒地開展科學(xué)觀測。在望遠(yuǎn)鏡還不能移動的情況下，他們就采用漂移掃描的方式，讓地球自轉(zhuǎn)帶著“中國天眼”巡天。建成還不到一年，F(xiàn)AST就實現(xiàn)了精確跟蹤觀測模式，驗證了它超高的靈敏度和望遠(yuǎn)鏡效率。

　　FAST快在調(diào)試階段就開始系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新脈沖星。目前已發(fā)現(xiàn)了90余顆脈沖星候選體。這歸功于科學(xué)團隊提前準(zhǔn)備，對團隊成員進行了相應(yīng)的觀測及數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練，開發(fā)了創(chuàng)新搜索軟件和數(shù)據(jù)庫……

　　科技是國之利器，大科學(xué)裝置無疑是利器的鋒刃，是當(dāng)之無愧的國之重器。

　　22年鑄就而成的“中國天眼”，值得信賴，更值得期待?。n阜業(yè)）