揭秘世界第一大單口徑射電望遠鏡

邱晨輝++王景爍

被譽為“觀天巨眼”的世界第一大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球冠狀主動反射面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）7月3日宣告其主體工程完成。

當(dāng)日，貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村，F(xiàn)AST工程大窩凼臺址現(xiàn)場，最后一塊反射面單元吊裝完畢。隨著FAST工程總經(jīng)理、中國科學(xué)院國家天文臺臺長嚴俊一聲令下，最后一塊反射面單元隨著鞭炮聲緩緩起吊，在完成了兩次空中轉(zhuǎn)接并用纜索吊下滑到指定位置后被順利安裝在索網(wǎng)上。

反射面工程是FAST最后一個設(shè)備工程，其完成標志著FAST主體工程的順利完工。

國際上最大單口徑射電望遠鏡

什么是射電望遠鏡？1932年，美國無線電工程師卡爾·央斯基用無線電天線探測到了來自銀河系中心的射電輻射，自此，人類打開了傳統(tǒng)光學(xué)波段之外進行天文觀測的另一個窗口。

射電望遠鏡通過接收來自宇宙的電波信號來獲取并分析各種信息。通常情況下，射電望遠鏡由定向天線或天線陣、饋電線、高靈敏度接收機和記錄儀等部分組成。其中，接收機具有極高的靈敏度和穩(wěn)定性，它將微弱的天體電波高倍放大后進行檢波，再將高頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l形式記錄下來。

半個多世紀過去了，人類目前造出的射電望遠鏡收集到的能量還不夠翻動一頁紙。正如中國科學(xué)院國家天文臺FAST工程首席科學(xué)家、總工程師南仁東所描述的，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，根本分辨不出來。

剛剛完成主體工程的FAST就是一只備受期待的“靈敏大耳朵”。FAST工程常務(wù)副經(jīng)理、中國科學(xué)院國家天文臺副臺長鄭曉年告訴記者，F(xiàn)AST擁有30個足球場大的接收面積，將是國際上最大的單口徑射電望遠鏡。

反射面有30個足球場面積大

與號稱“地面最大機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，F(xiàn)AST靈敏度提高約10倍；與排在阿波羅登月之前、被評為人類20世紀十大工程之首的美國Arecibo 300米望遠鏡相比，其綜合性能提高約10倍。

相應(yīng)地，天文界對FAST給予了不小期待。在科學(xué)方面，科學(xué)家們希望FAST能夠巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學(xué)，以探索宇宙起源和演化；觀測脈沖星，研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律；主導(dǎo)國際低頻甚長基線干涉測量網(wǎng)，獲得天體超精細結(jié)構(gòu)；探測星際分子；搜索可能的星際通訊信號。

“目前天文界所發(fā)現(xiàn)的脈沖星還都是銀河系以內(nèi)的，我們希望通過FAST發(fā)現(xiàn)銀河系以外的脈沖星。”鄭曉年說。FAST試圖回答的是更久遠的問題，比如宇宙演化、脈沖星探測和星際分子。它將幫助解開宇宙初始混沌、暗物質(zhì)分布與大尺度結(jié)構(gòu)，以及星系演化等領(lǐng)域的謎團。

在工程方面，F(xiàn)AST的建成將推動我國在天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機器人、大跨度結(jié)構(gòu)、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。鄭曉年表示，建成后的FAST將在日地環(huán)境研究、搜尋地外文明、國防建設(shè)和國家安全等國家重大需求方面發(fā)揮不可替代的作用。

主動反射面系統(tǒng)是FAST望遠鏡的重要組成部分，共有4450塊的反射面板單元，包括4273塊基本類型和177塊特殊類型。反射面單元邊長為10.4～12.4米，每塊單元重427.0～482.5公斤，厚度約1.3毫米。

FAST工程總工藝師、中國科學(xué)院國家天文臺研究員王啟明說，2015年8月3日，F(xiàn)AST反射面單元吊裝工程開始施工。從起初每天只能拼裝一塊發(fā)射面單元，再到日均拼裝20塊、高峰值達到37塊，施工人員克服了大尺度、高精度的拼裝施工難點及跨度大、位置高等吊裝施工難題。

王啟明說，一塊塊反射面單元在地面經(jīng)過拼裝、測量、報驗等步驟形成合格單元后，通過塔吊、轉(zhuǎn)運車、纜索吊等一系列高空工序?qū)⒚恳粔K單元運至指定位置進行安裝。經(jīng)過11個月的艱苦奮斗，30個足球場面積的反射面由一塊塊反射面單元鋪設(shè)完成。

超級望遠鏡如何誕生

FAST主反射面的面積達25萬平方米，由近46萬塊三角形單元拼接而成。它的圈梁被50根6～50米高低不等的鋼柱支在半空，周長約1.6公里，繞走一圈約要40分鐘。

據(jù)鄭曉年介紹，全新的設(shè)計思路，加上得天獨厚的臺址優(yōu)勢，使得FAST突破了射電望遠鏡的百米極限，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠鏡的新模式，并將在未來10～20年保持世界一流設(shè)備的地位。鄭曉年表示，通過觀測更深遠、更清晰的宇宙，無論是在最熱的脈沖星領(lǐng)域，還是在引力波探測方面，F(xiàn)AST都將為中國科學(xué)家?guī)砬八从械臋C遇。

首先，它利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址；其次，洼坑內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元組成500米口徑球冠狀主動反射面，球冠反射面在射電電源方向形成300米口徑瞬時拋物面，使望遠鏡接收機能與傳統(tǒng)拋物面天線一樣處在焦點上；第三，采用輕型索拖動機構(gòu)和并聯(lián)機器人，實現(xiàn)接收機的高精度定位。

1993年國際無線電聯(lián)大會上，包括中國在內(nèi)的10國天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議。隨后，以北京天文臺為主，聯(lián)合國內(nèi)20余所大學(xué)和研究所成立了射電“大望遠鏡”中國推進委員會，提出建設(shè)“喀斯特工程”。

FAST工程辦公室主任張蜀新透露，F(xiàn)AST主體工程完工后，將進入全系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試階段，以全面檢測FAST的建設(shè)是否達到當(dāng)初設(shè)計的工程目標。他說，按照計劃，一些相關(guān)的科研配套設(shè)施也在緊張建設(shè)中，預(yù)計今年9月，F(xiàn)AST工程將正式竣工。