直徑500米的眼睛

冷林蔚

人類仰望上蒼時，總是在想：我們是誰，我們從哪里來，我們是否孤獨……在茫茫宇宙中，是否還存在著其他的文明社會呢？哲學(xué)家羅素說“這個問題的解答有兩個，無論是有還是無，都會使我們感到同樣的驚奇。”

在神秘而深邃的星空下，世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）即將傲然屹立在這崇山峻嶺之中。它就像一只望向太空的眼睛，協(xié)助我們?nèi)ヌ剿饔钪娴膴W秘。為此，《知識就是力量》特派記者前往中國科學(xué)院國家天文臺FAST工程辦公室進(jìn)行采訪。在簡潔寬敞的會議室中，F(xiàn)AST工程辦公室工作人員向記者就FAST工程從立項、施工到建成后的作用等方方面面進(jìn)行了介紹。

提到望遠(yuǎn)鏡，我們都不會感到陌生，它能夠?qū)⑦h(yuǎn)方的景物拉近到眼前，使人將其看得清清楚楚?，F(xiàn)在的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)可以使人們通過可見光波段觀測距地球十分遙遠(yuǎn)的太陽、月亮、恒星、流星和彗星。那么，射電望遠(yuǎn)鏡是什么？

FAST工程辦公室（以下簡稱辦公室）：我們知道，光和廣播電視信號都是以光速傳播的電磁波，區(qū)別只在波長。千百年來人類只是通過可見光波段觀測宇宙，而實際天體的輻射覆蓋了整個電磁波段。射電輻射是天體無線電波段（波長3000米～0.3毫米）的輻射，可以說，這個發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了通過無線電波研究天體的新紀(jì)元。為什么這么說呢，由于無線電波可以穿透宇宙中大量存在而光波又無法通過的星際塵埃物質(zhì)，因而射電望遠(yuǎn)鏡可以透過星際塵埃，觀測更遙遠(yuǎn)的未知宇宙，也可以對已知星際世界做更深入的了解。無線電波基本不受光照和天氣的影響，射電望遠(yuǎn)鏡幾乎可以全天候、不間斷地工作。

射電望遠(yuǎn)鏡的基本結(jié)構(gòu)包括收集射電波的定向天線，放大射電信號的高靈敏度接收機(jī)，信息記錄、處理和顯示系統(tǒng)等。來自太空天體的無線電信號極其微弱，70年來所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量還翻不動一頁書。為了獲得更多宇宙天體的信息，需要將射電望遠(yuǎn)鏡的口徑設(shè)計得盡可能大，但由于自重和風(fēng)力等因素會引起的形變，傳統(tǒng)的全可動望遠(yuǎn)鏡的最大口徑只能做到100米。

我國的FAST射電望遠(yuǎn)鏡是何時被提上議程的？它與國際上其他射電望遠(yuǎn)鏡相比，又有什么優(yōu)勢？

辦公室：自20世紀(jì)60年代起，我國相繼建成了一批射電望遠(yuǎn)鏡。1993年，在國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會上，包括中國在內(nèi)的10國天文學(xué)家聯(lián)合提出了建設(shè)新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”的建議。1995年年底，以中國科學(xué)院北京天文臺（現(xiàn)國家天文臺）牽頭，國內(nèi)20余所大學(xué)和研究所成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國推進(jìn)委員會，提出了利用中國貴州的喀斯特洼地，建造球反射面的“喀斯特工程”概念。在借鑒了國外大射電望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)驗后，中國天文學(xué)家進(jìn)一步推進(jìn)了“喀斯特工程”概念，提出要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。

和同類大口徑射電望遠(yuǎn)鏡相比，它具有三項“獨一無二”的自主創(chuàng)新成果：

1.利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址，大大降低望遠(yuǎn)鏡工程的造價；

2.在洼坑內(nèi)鋪設(shè)了數(shù)千塊單元組成500米球冠狀主動反射面，球冠反射面在射電電源方向形成300米口徑瞬時拋物面，使望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)能與傳統(tǒng)拋物面天線一樣處在焦點上；

3.采用了輕型索拖動機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人，實現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的高精度定位。

全新的設(shè)計思路，加上得天獨厚的臺址優(yōu)勢，使FAST突破了射電望遠(yuǎn)鏡的百米極限，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。它擁有相當(dāng)于30個足球場大的接收面積，將是國際上最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡。與號稱“地面最大的機(jī)器”的德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比，靈敏度提高約10倍；與排在阿波羅登月之前、被評為人類20世紀(jì)10大工程之首的美國阿雷西博300米射電望遠(yuǎn)鏡相比，其綜合性能提高約10倍。作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來20～30年保持世界一流設(shè)備的地位。

可以預(yù)見，直徑500米的FAST，一定將成為人類觀測宇宙、探索宇宙的又一利器?？墒牵@個大家伙，到底是如何工作的？

辦公室：射電天文學(xué)利用射電望遠(yuǎn)鏡在無線電波段“觀察”天體，射電望遠(yuǎn)鏡的基本結(jié)構(gòu)有三個主要部分—反射面、接收機(jī)和指向裝置。傳統(tǒng)的拋物面望遠(yuǎn)鏡將入射的平面電磁波會聚到焦點上，而球反射面會聚成一段焦線，限制了寬頻帶全偏振接收機(jī)的應(yīng)用。為克服這一困難，F(xiàn)AST球冠反射面在射電源方向形成300米口徑瞬時拋物面，使得饋源艙內(nèi)的接收機(jī)能和傳統(tǒng)拋物面天線一樣放在焦點上。

FAST球反射面將分成4600塊反射面單元，由促動器控制，實現(xiàn)反射面的主動變形。由于巨大的空間跨度，在接收機(jī)與反射面之間難以建立高精度的剛性連接。FAST采用光機(jī)電一體化的索支撐輕型饋源平臺，加之饋源艙內(nèi)的二次調(diào)整裝置，實現(xiàn)接收機(jī)的空間定位。采用大范圍、高精度、高采樣率的測量與相應(yīng)控制技術(shù)，完成望遠(yuǎn)鏡的反射面主動變形和精確的指向跟蹤。

在饋源艙內(nèi)配置國際先進(jìn)的高品質(zhì)多波束接收機(jī)，收集反射面會聚的宇宙無線電波，通過寬帶光纖傳輸?shù)浇K端設(shè)備，分析獲得的天體物理信息。

與美國阿雷西博300米望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST靈敏度提高2.25倍，而且阿雷西博20°天頂角的工作極限，限制了觀測天區(qū)，特別是限制了聯(lián)網(wǎng)觀測能力。

FAST主要建設(shè)內(nèi)容包括：

臺址勘察與開挖系統(tǒng)：臺址勘察、臺址開挖和邊坡治理等

主動反射面系統(tǒng)：索網(wǎng)、反射面、促動器、健康監(jiān)測等

饋源支撐系統(tǒng)：支撐塔、索驅(qū)動、饋源艙等

測量與控制系統(tǒng)：總控、主動反射面的測量與控制、饋源艙的測量與控制等

接收機(jī)與終端系統(tǒng)：接收機(jī)、終端設(shè)備、信號傳輸?shù)?/p>

觀測基地系統(tǒng)：觀測樓及公用設(shè)施等

貴州多山，前往FAST工地的道路起伏跌宕，我們不禁會問，為什么要將FAST選址在貴州的大窩凼呢？建設(shè)FAST又會對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響？endprint

辦公室：之所以選擇在“大窩凼”這么一個天然的巨型山坳中，主要是考慮到FAST的建造需要利用天然洼坑，而這種地貌只發(fā)育在喀斯特地區(qū)。從1994年開始，項目組就對貴州南部喀斯特地區(qū)進(jìn)行了多學(xué)科的臺址評估工作。在自然地理、地貌發(fā)育控制因素、洼地的形態(tài)特征、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、氣象及電波環(huán)境等諸方面做了初步評估。眾多國內(nèi)外專家，包括兩任前阿雷西博天文臺臺長，都曾到FAST預(yù)選區(qū)考察，F(xiàn)AST項目組的專家也于1999年訪問了阿雷西博，大家一致認(rèn)為貴州預(yù)選區(qū)洼地作為大型球面射電望遠(yuǎn)鏡臺址是世界上獨一無二的。

在這眾多的洼地之中，我們選中了400個洼地作為候選，將它們的資料輸入數(shù)據(jù)庫。之后，又根據(jù)洼地的開挖量、閉合程度、開口角、電波環(huán)境、交通、地震和冰雹等條件，選定貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼洼地為FAST臺址。這里的邊坡穩(wěn)定，巖石有足夠的承載強(qiáng)度；喀斯特地質(zhì)條件可以保障雨水向地下滲透，不在表面淤積而損壞和腐蝕望遠(yuǎn)鏡；無重大自然災(zāi)害記錄；在大窩凼附近5千米半徑之內(nèi)沒有一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25千米半徑之內(nèi)也只有一個縣城，10余年無線電干擾環(huán)境監(jiān)測表明，大窩凼臺址區(qū)有安靜的電波環(huán)境、良好的可及性和隔離性，因此無線電環(huán)境最為理想；另外，貴州有一批電子工業(yè)企業(yè)，具備制造大型無線電天線的生產(chǎn)能力，運(yùn)輸方便，水電豐富，為FAST建造提供了優(yōu)越的工程環(huán)境。

由于FAST項目的主要作用是進(jìn)行觀測和研究，環(huán)境的影響因素是比較單一的。另外，F(xiàn)AST對周邊環(huán)境沒有電磁污染，項目也沒有敏感性污染環(huán)節(jié)。FAST運(yùn)行過程中，將有上百名科技人員在臺址區(qū)工作和生活，我們分析考慮了生活污水和垃圾的處理。生活污水將通過污水處理設(shè)施處理后達(dá)標(biāo)排放，生活垃圾將定期收集運(yùn)送至平塘縣垃圾處理站統(tǒng)一處理。

辦公室：自FAST立項以來，經(jīng)歷了緊張的研究與實驗過程。目前已經(jīng)安裝好了圈梁和部分支撐塔，設(shè)備正在逐步進(jìn)場，下一步就是安裝索網(wǎng)和反射面。另外，除了現(xiàn)場的具體建設(shè)，系統(tǒng)的研發(fā)也在同時進(jìn)行著。到了2016年，會進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。整個項目預(yù)計在2016年9月完工。

FAST工程是將科學(xué)研究與工程相結(jié)合，沒有現(xiàn)成的規(guī)范和很成熟的技術(shù)，每一步都是極富開創(chuàng)性的。需要把科學(xué)構(gòu)想和設(shè)計落實到實際的工程中去。在實際施工時，遇到了各種各樣的問題，所以在不斷地設(shè)計、更新、深化、研發(fā)。另外，工程的每一步進(jìn)展，都推進(jìn)著我國的科技發(fā)展。比如支撐塔就需要有非常好的穩(wěn)定性；測量和接收系統(tǒng)都要求有非常高的精度。在施工工藝上，也一直在研究著新型的材料和工藝。比如由于索疲勞的要求，研發(fā)了超出國家規(guī)范的專用鋼索；傳輸從饋源接收的宇宙無線電信號到終端處理設(shè)備的光纖，因為饋源一直在移動，因此光纖也始終處在不斷彎折的狀態(tài)下，所以單獨研發(fā)了這種新型光纖。

可以說，F(xiàn)AST的研制和建設(shè)，體現(xiàn)了我國自主創(chuàng)新能力，還將推動我國在天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機(jī)器人、大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量等眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。

看來，建造這樣一架世界一流的射電望遠(yuǎn)鏡，背后是無數(shù)科研人員、技術(shù)人員、工程人員的不懈努力。那么，建成的FAST，除了尋找地外文明、觀察宇宙，它還有著怎樣的使命？

辦公室：總的來說，建成后的FAST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(jī)遇，也將在日地環(huán)境研究、國防建設(shè)和國家安全等方面發(fā)揮不可替代的作用。

FAST將會在公眾的科普教育方面發(fā)揮什么樣的作用？

辦公室：FAST的建設(shè)與運(yùn)行將促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)的繁榮和社會進(jìn)步，符合國家區(qū)域發(fā)展的總體戰(zhàn)略。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；另外，國家天文臺也聯(lián)合了貴州大學(xué)、貴州師范大學(xué)等當(dāng)?shù)卦盒＃?lián)合培養(yǎng)技術(shù)人才，加大當(dāng)?shù)氐母叩冉逃Χ龋瑥?qiáng)化教育資源。另外，以FAST為主體的天文科普基地將推進(jìn)我國的科普工作，激發(fā)青少年對天文、科學(xué)的熱情，向公眾與決策層進(jìn)行宣傳，為科教興國的長遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)服務(wù)。

天文學(xué)是一門觀測的科學(xué)，最好的學(xué)習(xí)方式就是親自去體驗。當(dāng)你在望遠(yuǎn)鏡的一端觀察到宇宙的每一個角落，你的感覺會更加鮮明、印象也會越加深刻。

方式一：抬頭仰望或購入一臺不貴的天文望遠(yuǎn)鏡，美麗的星空或許在自家的陽臺上也能看得到。

方式二：參加國家天文臺定期組織的公眾科學(xué)日、夏令營或科普系列報告等活動。也可以在開放日到幾大臺址去親自操作光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。

方式三：點擊登錄“虛擬天文臺”（astrocloud.china-vo.org）。這里是許多國家的天文資源的集合。我們甚至可以自己下載數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行分析，還可將結(jié)果寄回國家天文臺。也許有一天，你也會成為矚目的天文學(xué)家！

方式四：參與路邊天文（Go Star Partying）活動，與更多天文“大咖”一起，到遠(yuǎn)離城市的原野、山頂或是大農(nóng)場，在伸手不見五指的環(huán)境中觀星。你會猛然發(fā)現(xiàn)自己果然是生活在銀河系當(dāng)中，因為那浩瀚的星空正籠罩在你的頭上。endprint