世界第一“天眼”掃描蒼穹

蔡如鵬

2008年12月26日，中國(guó)天文學(xué)家在貴州省平塘縣正式啟動(dòng)了全球最大射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）工程的建設(shè)。在世界上正在建造及計(jì)劃建造的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡中，“FAST”的口徑最大（500米）、探測(cè)能力最強(qiáng)。

“70年翻不動(dòng)一頁(yè)書(shū)”

與人們熟悉的望遠(yuǎn)鏡不同，射電望遠(yuǎn)鏡既沒(méi)有高高豎起的望遠(yuǎn)鏡鏡筒，也沒(méi)有物鏡、目鏡，看上去更像是一口大鍋。這是因?yàn)樗邮艿牟皇强梢?jiàn)光，而是天體射出的無(wú)線電波。千百年來(lái)，人類大多是通過(guò)可見(jiàn)光波段觀測(cè)宇宙。事實(shí)上，天體的輻射覆蓋整個(gè)電磁波段，而可見(jiàn)光只是其中人類眼睛可以感知的一部分。

射電望遠(yuǎn)鏡正是將那些看不見(jiàn)的電磁波，通過(guò)天線收集起來(lái)，然后傳送給接收系統(tǒng)放大并轉(zhuǎn)變成儀器能夠記錄的信號(hào)，供天文學(xué)家分析。自美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的卡爾·央斯基1933年接收到來(lái)自銀河系的射電信號(hào)以來(lái)，近代天文學(xué)許多重大發(fā)現(xiàn)都基于射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展。

巨大的天線是射電望遠(yuǎn)鏡最顯著的標(biāo)志，它的種類很多，有拋物面天線、球面天線、螺旋天線等。最常用的是拋物面天線，也就是我們看見(jiàn)的“大鍋”。天線對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，就好比眼睛，作用相當(dāng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的物鏡，負(fù)責(zé)收集微弱的宇宙無(wú)線電信號(hào)。

但來(lái)自太空的無(wú)線電信號(hào)極其微弱，70多年來(lái)所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量加在一起還翻不動(dòng)一頁(yè)書(shū)。因此，天文學(xué)家一直試圖建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡。但由于自重和風(fēng)載引起的形變，傳統(tǒng)的可轉(zhuǎn)動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡的天線最大口徑不能超過(guò)100米，否則收集到的信號(hào)就無(wú)法準(zhǔn)確地聚焦到接受系統(tǒng)上。

30個(gè)足球場(chǎng)大的天然鍋架

于是，天文學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了地球上固有的地形地貌——利用天然的洼地作為支架，建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡。這就有了既不架在山頂，也不像“哈勃”那樣遨游太空，而是架在洼地中的“FAST”。

從1994年起，天文學(xué)家們就開(kāi)始尋找適合建造“FAST”的臺(tái)址，最終在黔南平塘縣選中了大窩凼。

大窩凼距平塘縣城約85公里，是喀斯特地貌所特有的一大片漏斗天坑群。周圍3座山峰呈三足鼎立之勢(shì)，每座距離都在500米左右，中間的洼地正好形成一個(gè)天然的鍋架，又大又圓，剛好可以穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)厥⑾隆癋AST”這口“大鍋”。

工程人員在洼坑內(nèi)先用約10000根鋼索連成一張大網(wǎng)，然后在上面鋪設(shè)4600多塊三角形的反射板，最終形成一個(gè)巨型反射面，即“FAST”的天線。天線的接收面積達(dá)到20萬(wàn)平方米，相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)，猶如一只鑲嵌在地面的巨大“天眼”，性能將大大超過(guò)傳統(tǒng)的射電望遠(yuǎn)鏡。

反射板由促動(dòng)器控制，可以進(jìn)行整個(gè)反射面的主動(dòng)變形。此外，采用輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的高精度定位。也就是說(shuō)，這個(gè)巨大的“天眼”還可以根據(jù)需要在洼地上轉(zhuǎn)動(dòng)。

這項(xiàng)重大科學(xué)工程的投資為6.67億元人民幣，預(yù)計(jì)2014年建成。與號(hào)稱“地面最大機(jī)器”的德國(guó)波恩100米口徑射電望遠(yuǎn)鏡相比，“FAST”的靈敏度提高了約10倍（注：靈敏度是衡量射電望遠(yuǎn)鏡性能的重要指標(biāo)之一，它是指射電望遠(yuǎn)鏡“最低可測(cè)”的能量值）。

尋找地外文明

“FAST”建成后，天文學(xué)家能夠利用它具體做些什么呢？

作為一個(gè)多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺(tái)，它將在宇宙大尺度物理學(xué)、物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和規(guī)律等眾多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域提供發(fā)展和突破的機(jī)遇，也將推動(dòng)中國(guó)高科技領(lǐng)域的發(fā)展。

“FAST”可以將視界延伸至宇宙邊緣，觀測(cè)暗物質(zhì)和暗能量，尋找第一代天體；還可以用一年時(shí)間巡視約7000顆脈沖星，并有望發(fā)現(xiàn)奇異星和黑洞雙星等。

此外，對(duì)于長(zhǎng)久以來(lái)困擾人類的地外文明疑問(wèn)，“FAST”將搜尋識(shí)別可能的星際通訊信號(hào)，或許能幫助科學(xué)家揭開(kāi)地外文明的“冰山一角”。天文學(xué)家認(rèn)為，與地外文明通訊的唯一可行的方法，就是尋找來(lái)自地外文明的信號(hào)，它比發(fā)射探測(cè)器去登門(mén)拜訪外星人要可行得多。

在這類觀測(cè)項(xiàng)目中，“鳳凰計(jì)劃”最為著名。它始于1994年，正使用射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)來(lái)自鄰近的大約1000顆類太陽(yáng)星周圍的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的搜索和辨認(rèn)。

“FAST”也許會(huì)給我們帶來(lái)巨大的機(jī)遇。即使沒(méi)有那份運(yùn)氣，也可以像美國(guó)宇航局微波巡視計(jì)劃那樣，同時(shí)掃描上億個(gè)頻率，診斷微弱的空間窄帶訊號(hào)，其國(guó)家安全方面的價(jià)值不言自明。

（摘自《中國(guó)新聞周刊》2009年第2期原標(biāo)題為《世界第一“天眼”落戶貴州》本刊有刪節(jié)）