FAST，神奇的“中國天眼”

徐令予

國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）9月25日落成啟用。它被譽為“中國天眼”，是目前世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。它的落成啟用，對中國的天文物理研究和加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展具有重要意義。

400多年前，伽利略首次端起光學(xué)望遠鏡朝向星空，為人類觀測宇宙的奧秘開啟了一個窗口。接著人們發(fā)現(xiàn)，天體除了發(fā)出可見光，還發(fā)出電磁波，于是用來觀察、接收和分析深空中電磁波的射電望遠鏡就成為了天文學(xué)家的利器，它為人類探索宇宙打開了一扇大門。20世紀60年代天文物理學(xué)取得了四項非常重要的發(fā)現(xiàn)：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射和星際有機分子，這著名的“四大發(fā)現(xiàn)”都與射電望遠鏡密切相關(guān)。

物理學(xué)告訴我們，光波就是波長較短的電磁波，因而射電望遠鏡和光學(xué)望遠鏡實際上就是同一類工具，它們檢測的只是不同波長的電磁波。這有點像體溫計和氣溫表，它們的差別是測量溫度的不同區(qū)域而已。射電望遠鏡的基本工作原理與反射式光學(xué)望遠鏡沒有多大區(qū)別，都是依靠一塊大型反射鏡盡可能多地收集遠處微弱的電磁波，然后反射聚焦到一個局部區(qū)域，最后把它記錄下來供進一步的分析處理。

衡量射電望遠鏡性能的基本指標是空間分辨率和靈敏度，前者決定了區(qū)分天空中彼此靠近的射電點源的能力，后者反映了探測微弱射電源的能力。與光學(xué)望遠鏡一樣，射電望遠鏡的分辨率和靈敏度主要決定于它的主反射鏡的尺寸，夸張點說，那塊主反射鏡就像美女的眼睛，越大越好。

過去幾十年中，射電望遠鏡的主反射鏡越做越大，但大有大的難處。要把直徑幾十米的反射鏡安裝在高塔上，讓它能轉(zhuǎn)動自如，并且穩(wěn)定地跟蹤天體目標，這在技術(shù)上有許多的困難。

上世紀60年代中期，美國在中美洲的波多黎各利用一塊天然洼地建成了直徑305米的射電望遠鏡，它保持“最大口徑射電望遠鏡”的冠軍稱號長達幾十年。這次在中國貴州平塘山區(qū)建成的射電望遠鏡的孔徑為500米，美國在波多黎各建造的射電望遠鏡只好屈居亞軍了。

如此巨大的主反射鏡，自重都在數(shù)千噸以上，把它們放置于活動支架上讓其轉(zhuǎn)動，這條路根本走不通。可行的辦法是利用天坑似的洼地，首先造一個鋼結(jié)構(gòu)的圓環(huán)，然后把反射鏡球面固定在圓環(huán)上。通俗地講，F(xiàn)AST像是一口大鍋，洼地則是支撐這口大鍋的鍋架?，F(xiàn)在的關(guān)鍵是如何讓這塊主反射鏡可以改變觀測方向和跟蹤被測的天體。這就涉及到中國FAST自主創(chuàng)新的兩項核心技術(shù)：“饋源支撐系統(tǒng)”和“主動反射面單元”。

中國的FAST是球面形射電望遠鏡，其主反射鏡的支撐面做成球形，饋源被六根柔性懸索吊掛在離主反射鏡近百米的高空，饋源在同心球面移動時與主反射鏡基準面保持等距，其定位精度達毫米級。而主反射鏡做成分布可調(diào)單元，確保對饋源的每個瞬間形式拋物面，使有效反射面上的所有入射電磁波以點方式聚集于饋源上。從饋源得到的訊號經(jīng)前置低噪聲放大器放大后轉(zhuǎn)換成中頻，然后通過懸掛在柔性懸索上的光纖送至訊號處理中心。

建設(shè)FAST射電望遠鏡對天文物理學(xué)研究的意義十分明顯，本文不再細述，這里有必要強調(diào)它在其他一些相關(guān)領(lǐng)域中的作用。由于FAST對深空電磁波觀測的高分辨率和高靈敏度，它可參與中國航天工程中的測控系統(tǒng)，把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至整個太陽系，也可用它來接收深空衛(wèi)星的通訊數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)的下載速率提高100倍！FAST還可作為非相干散射雷達接收系統(tǒng)，提供高分辨率和高效率的地球中高層的大氣、電離層和地磁場的有關(guān)參數(shù)，為子午工程（大型空間環(huán)境地基監(jiān)測系統(tǒng)）作出貢獻。

大型天文臺的選址從來就是一個嚴肅的課題。這有點像男女相親，選定合適的地點關(guān)系著天文臺的一生一世。

這個為世人矚目的射電望遠鏡建在中國貴州省黔南州平塘縣大窩凼洼地，天坑似的洼地與500公尺反射鏡地形匹配，減少了施工工程量，大窩凼的喀斯特地質(zhì)特性可以避免雨水積聚導(dǎo)致天災(zāi)。大窩凼附近沒有集鎮(zhèn)和工廠，在5公里半徑之內(nèi)沒有一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25公里半徑之內(nèi)只有一個縣城，遠離各類人為電磁污染，是極為理想的選址。

把目前世界最大的射電望遠鏡選定在貴州平塘的山洼里真是棋高一招。除了媒體的報道，我對這個地區(qū)還有更深入的了解。貴州黔南地區(qū)冬暖夏涼，氣溫長年在20攝氏度上下，大型反射鏡面金屬材料的熱脹冷縮問題容易得到控制。試想一下如果把它建在華北或東北，一系列的工程問題定會讓建設(shè)者頭疼。北國的冬天，千里冰封，萬里雪飄，屆時神奇的天眼大約也只能閉目冬眠了。而且黔南地區(qū)風(fēng)速小，風(fēng)向穩(wěn)定，這點也很關(guān)鍵，否則跨度500米由六根柔性懸索吊掛在100米高空的饋源真會讓人心憂！還有一點更為重要，貴州不是地震多發(fā)地帶，大型精密工程建在四川、云南就不太合適。順便提一下，正是因為擁有這些得天獨厚的優(yōu)勢，貴州已經(jīng)成為許多跨國公司建立云端服務(wù)中心的首選地。