本刊編輯部

中國著名科幻作家劉慈欣在他的長篇科幻小說《三體》中，描述了地球文明為抵抗三體文明的殖民，與其展開了長達(dá)數(shù)百年的激烈斗爭。在茫茫的宇宙中，地球人和三體人是如何發(fā)現(xiàn)對方的存在并交流信息的？這里面最關(guān)鍵的儀器就是射電天文望遠(yuǎn)鏡。正是在位于大興安嶺紅岸基地雷達(dá)峰的大型射電望遠(yuǎn)鏡的幫助下，人類第一次獲得了三體文明的信息，并對該信息進(jìn)行了回復(fù)，這才導(dǎo)致后面—系列故事的發(fā)生。

天文學(xué)是人類社會最早發(fā)展起來的一門學(xué)科，天文學(xué)中非常重要的手段之一就是“觀星”——對于天體的觀測。起初，人們通過肉眼觀測可見天體，后來就借助光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測，但是在射電望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)以前，天文學(xué)的研究對象只涉及可見宇宙，也就是那些能發(fā)出可見光的天體。而宇宙中的天體物質(zhì)不僅能發(fā)出可見光，還能發(fā)出各種“不可見光”，也就是其他波段的電磁波和各種粒子射線。可見光只攜帶了宇宙中的一部分信息，其他部分的信息則隱藏在“不可見”的射頻電波里，射電天文學(xué)就是通過測量自然天體發(fā)出的射電信號來研究宇宙的奧秘。

2020年1月11日，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST）通過國家驗收，正式開放運行，開啟了“睜眼看宇宙”的新征程。

為什么需要大口徑射電望遠(yuǎn)鏡

射電望遠(yuǎn)鏡的基本性能指標(biāo)有兩個靈敏度和分辨率。

靈敏度指射電望遠(yuǎn)鏡能“感受”到的最低能量值，靈敏度越高，能探測到的射電信號就越多，相應(yīng)地，發(fā)現(xiàn)的射電源也就越多、越遠(yuǎn)。

分辨率則是指能區(qū)分兩個鄰近的射電源的能力，分辨率越高，分辨本領(lǐng)就越大，就能將距離很近的兩個射電源區(qū)分開。

增大望遠(yuǎn)鏡口徑是提高靈敏度和分辨率的主要途徑之一，另外也可以通過天線的形狀和材料來改變天線的工作波長，以此提高靈敏度和分辨率。

記錄來自遙遠(yuǎn)天體的信號

從20世紀(jì)30年代射電天文學(xué)誕生到現(xiàn)在，科學(xué)家研制出了大小不同、形式多樣的射電望遠(yuǎn)鏡。簡單來說，射電望遠(yuǎn)鏡就是捕捉、收集來自天體的射電波的工具，它通過高增益的天線，配以高靈敏度的接收機(jī)和相應(yīng)的后端設(shè)備，接收和記錄來自遙遠(yuǎn)天體的射電波信號。

射電天文學(xué)觀測的天體常處在離我們幾十億甚至是百億光年以外的深遠(yuǎn)宇宙空間，當(dāng)這些射電信號穿過茫茫宇宙時空到達(dá)地球上（這些信號不僅來自遠(yuǎn)方，而且來自上古時期），我們所能收集到的射電頻段天體輻射已經(jīng)變得十分微弱。有人曾經(jīng)估算過，從射電天文學(xué)發(fā)祥至今，所有的射電望遠(yuǎn)鏡接收的天體輻射能量，連一頁書都翻不動，這是多么小的能量??！

就組成而言，射電望遠(yuǎn)鏡可以分為單口徑射電望遠(yuǎn)鏡和綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。

單口徑射電望遠(yuǎn)鏡與通信用的微波天線類似，通常分為3個主要部分，分別是反射面、接收機(jī)和指向裝置。反射面的形狀通常為拋物面，可以接收到遙遠(yuǎn)天體發(fā)射的平行電磁波并反射匯聚于拋物面焦點處的接收機(jī)。指向裝置則根據(jù)天體位置實時轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡、調(diào)節(jié)指向，這是因為地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，天體相對于望遠(yuǎn)鏡的位置會發(fā)生變化。

綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡則是由多個單口徑望遠(yuǎn)鏡組成的天線陣，單口徑射電望遠(yuǎn)鏡對反射面的要求比較高，而綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡利用多天線干涉重建發(fā)射源的信息，要求則低一些。

此外，根據(jù)射電望遠(yuǎn)鏡的最短工作波長，又可以將射電望遠(yuǎn)鏡劃分為厘米波射電望遠(yuǎn)鏡、毫米波射電望遠(yuǎn)鏡以及亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡。而在同一口徑下，工作波長越短，分辨率就越高。

不同尋常的1994年

1994年是中國科技史上難忘的一年，正是在這一年，中國的科學(xué)家們做出一個重大的決定。讓我們把目光回溯到二十幾年前，看看到底發(fā)生了什么。

現(xiàn)代信息技術(shù)離不開電磁波的發(fā)射和接收，如果說電氣革命以后人們無法離開電，那么信息革命之后，人們就再也離不開電磁波了。衛(wèi)星信號、電視廣播信號、手機(jī)信號等，都離不開電磁波的發(fā)射和接收。因此，人造電磁波信號越來越多。雖然人造電磁波信號給我們的生活帶來很多便利，但對于天文觀測來講，它們卻是“噪聲”的主要來源。在天文觀測中，電磁信號是主要的信號源（另外還包括各種粒子流、引力波信號等），通過分析不同天體發(fā)出的電磁波信號，可以獲得關(guān)于宇宙的信息，加深我們對宇宙的認(rèn)識。而越來越多的人造電磁波信號會干擾我們對宇宙的“聆聽”，科學(xué)家們早已意識到這個問題的嚴(yán)重性。

1993年8月26日，第24屆國際無線電科學(xué)聯(lián)合大會在日本召開。在大會上，來自澳大利亞、加拿大、中國、法國、德國、印度、荷蘭、俄羅斯、英國、美國10個國家的射電天文學(xué)家提出了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的計劃，希望在電波環(huán)境被徹底毀壞前，多捕捉一些來自外太空的射電信號，回溯原初宇宙，解答天文學(xué)上的眾多難題。

由于巨型望遠(yuǎn)鏡規(guī)模巨大，單一國家難以承擔(dān)，因此從一開始，這一計劃就被確定為一個國際合作項目。在會議之后，這些國家就開始了對計劃先導(dǎo)單元的預(yù)研究。

1994年，中國科學(xué)院北京天文臺（現(xiàn)在的中國科學(xué)院國家天文臺）開始主持相關(guān)工程概念的預(yù)研究，并聯(lián)合國內(nèi)20多家大學(xué)和研究所，成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國推進(jìn)委員會和相關(guān)實驗室。從此，中國的科學(xué)家們精誠團(tuán)結(jié)，開始了對大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)研究。

1995年年底，射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國推進(jìn)委員會在借鑒美國阿雷西博球面射電望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了利用中國貴州喀斯特洼地建造大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的工程概念，500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST）工程由此而來。

漫長的選址過程

FAST工程從初期開始，就基本確定在貴州建設(shè)，這是因為貴州處于世界上三大連片的喀斯特發(fā)育區(qū)之一的東亞片區(qū)中心，是世界上分布面積最大、最集中連片的喀斯特區(qū)，也是世界上喀斯特發(fā)育最典型、類型最復(fù)雜、景觀類型最齊全的片區(qū)。

為什么選擇喀斯特地貌區(qū)域作為大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的臺址？這是為了能夠安放射電望遠(yuǎn)鏡的巨大反射面。500米口徑的平面圓面積約為20萬平方米，要安放這么大的一個半球，不僅需要20萬平方米的占地面積，還需要至少200米的深度。而在喀斯特地貌區(qū)域，極有可能找到符合這樣條件的地點。

從1994年大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的貴州選址工作啟動，到2007年國家發(fā)改委原則同意將FAST項目列入國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目計劃、FAST項目正式立項為止，中國科學(xué)家做了長達(dá)13年的預(yù)研究和優(yōu)化研究，在綜合考慮了自然地理、地貌發(fā)育控制因素、洼地的形態(tài)特征及資源環(huán)境等條件后，最終將FAST的臺址確定為貴州省平塘縣的大窩凼洼地。

大窩凼洼地是喀斯特地貌所獨有的一大片漏斗天坑群，就像一個天然的“巨碗”，正好可以將FAST的反射面盛放進(jìn)去，大大減少了工程的土方量。而且這里屬于空洞溶巖地質(zhì)，地下水可以通暢排泄，再加上良好的電磁環(huán)境以及低風(fēng)速、冬季少雨雪、無重大自然災(zāi)害記錄的自然條件，說這里是專為FAST而生的，一點也不為過。

“天眼”工程的中國創(chuàng)造

為實現(xiàn)FAST的建設(shè)目標(biāo)，總共需要建設(shè)六大工程系統(tǒng)：臺址勘察與開挖系統(tǒng)、主動反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測量與控制系統(tǒng)、饋源與接收機(jī)終端系統(tǒng)、觀測基地建設(shè)系統(tǒng)。

全新的設(shè)計思路，再加上得天獨厚的臺址優(yōu)勢，使得FAST開創(chuàng)了建設(shè)巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。從1994年開始策劃到2007年確定臺址，中間經(jīng)歷13年;從2007年FAST項目列入國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目計劃到2011年工程開工，前期籌備過程經(jīng)歷了4年的時間;從2011年3月25日開始施工建設(shè)到2016年9月25日FAST正式“開眼”，中間經(jīng)歷了5年零6個月，工程的投資總計為6.67億人民幣，這期間的建設(shè)過程漫長而艱辛，卻又激動人心。這一工程的成功實現(xiàn)，不僅和中國科學(xué)家們的精誠合作密不可分，也離不開工程建設(shè)人員的日夜奮戰(zhàn)，更離不開決策者的高瞻遠(yuǎn)矚和全國人民的大力支持。

作為我國擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的巨型射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST突破了多種關(guān)鍵技術(shù)，主動反射面的運用可以說是FAST的最大創(chuàng)舉。以往的射電望遠(yuǎn)鏡雖然是固定式的反射面（如美國的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡），但其實對于觀測對象來講是不固定的，因為地球在不停地自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，所以固定式反射面由于地球自轉(zhuǎn)的作用，并不能把信號匯聚在一個焦點上，而是匯聚在一條焦線上，這會給觀測帶來非常大的限制。而FAST通過主動反射面技術(shù)，能將觀測天頂角擴(kuò)大到40°范圍的天區(qū)。

另外，光機(jī)電一體化的饋源支撐系統(tǒng)也是一大創(chuàng)新。在500米巨大的空間尺度上，處于焦點處的接收機(jī)與反射面之間不可能使用剛性連接，假設(shè)采用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的指向跟蹤平臺方案，平臺重量會超過萬噸，根本沒有可行性。因此，中國的科學(xué)家們發(fā)展了光機(jī)電一體化的索拖動技術(shù)，使用6根鋼索將接收機(jī)的饋源艙拖到焦點處，并附加一個精調(diào)機(jī)器人抵消鋼索的震動，在索驅(qū)動和并聯(lián)機(jī)器人二次精密調(diào)控的結(jié)合下，實現(xiàn)接收機(jī)空間定位，最終實現(xiàn)高精度的指向跟蹤。

FAST的研制成功，為我國射電天文學(xué)、深空探測通信以及相關(guān)基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展提供了更多的突破性機(jī)遇，使我國一躍成為射電天文的強(qiáng)國。

FAST的科學(xué)目標(biāo)

作為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來20-30年內(nèi)保持世界一流設(shè)備的地位;作為一個多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺，F(xiàn)AST將為宇宙大尺度物理學(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)展和突破基礎(chǔ)，也將

數(shù)字解讀FAST

接下來，我們通過一些具體的數(shù)字，更加直觀地了解FAST這個“觀天巨眼”。

FAST的口徑達(dá)到500米，是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，從頂部圓心到底部圓心的垂直距離為138米，相當(dāng)于50多層樓高。

整個鋼結(jié)構(gòu)圈梁長度為1600米，消耗鋼材5600噸，總工程量相當(dāng)于1/4個鳥巢。

反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)由近9000根高精度、高強(qiáng)度鋼索連接而成，在半空中形成一張重達(dá)1600噸的鋼質(zhì)索網(wǎng)。

反射面由4450塊邊長達(dá)10-12米的三角形主動反射單元拼裝形成，球形反射面的面積相當(dāng)于30個足球場大小。

在山崖上修建了6座饋源支撐塔，最高達(dá)168米，通過鋼索懸吊的方式，支撐控制重達(dá)30噸的饋源艙。

FAST的探測靈敏度要比此前世界最先進(jìn)的美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡高近2.5倍，將人類的視野拓展得更深、更遠(yuǎn)。在日地環(huán)境研究、國防建設(shè)、國家安全等方面發(fā)揮不可替代的作用。

雖然科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)是不可計劃和難以預(yù)測的，但是在可預(yù)見的領(lǐng)域內(nèi)，F(xiàn)AST將在很多方面實現(xiàn)科學(xué)和技術(shù)上的重大突破——

巡視宇宙中的中性氫。氫是宇宙中最簡單同時也是最豐富的元素，對中性氫的觀測，將有望在暗物質(zhì)暗能量、星系形成與演化等方面取得進(jìn)展。

觀測脈沖星。脈沖星的發(fā)現(xiàn)可以說是20世紀(jì)后半葉最偉大的天文發(fā)現(xiàn)之一。脈沖星是一種高速旋轉(zhuǎn)并具有極高密度的極端星體，有著規(guī)律變化的脈沖信號，周期從1毫秒多到數(shù)秒不等。根據(jù)計算機(jī)仿真，F(xiàn)AST使用多波束饋源做1小時積分時間的巡視，能用一年時間發(fā)現(xiàn)4000余顆未知的脈沖星。

探索星際分子。利用FAST的高靈敏度，可以搜尋銀河系中的長鏈碳分子。如果找到的話，將會對生命起源的研究產(chǎn)生重大影響。

搜索星際通信信號。根據(jù)我們的生產(chǎn)生活經(jīng)驗，智慧生命的基本特征之一就是能夠發(fā)射通信信號。在月球旅行和火星旅行即將實現(xiàn)的時代，在不斷發(fā)現(xiàn)大量系外行星以及類地行星的時代，尋找地外文明已經(jīng)變得比以往任何時候都更加迫切。FAST將用前所未有的高效率搜尋、識別可能的地外通信信號，實現(xiàn)對地外文明的搜索。

當(dāng)之無愧的國之重器

2016年9月25日，F(xiàn)AST正式落成并啟用。

根據(jù)國際慣例和大型地面設(shè)備的使用規(guī)律，大型望遠(yuǎn)鏡竣工之后要經(jīng)過2-3年的時間才能正式運行，而這2-3年的時間，是大型望遠(yuǎn)鏡調(diào)試階段，這是科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)工作作風(fēng)的體現(xiàn)。FAST也遵循這樣的慣例，調(diào)試結(jié)束之后才能通過國家驗收，實現(xiàn)面向國內(nèi)外學(xué)者開放。在調(diào)試階段，中國科學(xué)院國家天文臺牽頭國內(nèi)多家單位，在FAST科學(xué)和工程團(tuán)隊的密切協(xié)作之下，實現(xiàn)了指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行。

FAST正式“開眼”一周年后，2017年的10月10日，在中國科學(xué)院國家天文臺舉行了首批成果發(fā)布會。在發(fā)布會上，研究人員公布了首批認(rèn)證的兩顆脈沖星：一顆編號J1859-0131，自轉(zhuǎn)周期為1.83秒，據(jù)估算距離地球1.6萬光年;一顆編號J1931-01，自轉(zhuǎn)周期0.59秒，據(jù)估算距離地球約4100光年。兩顆脈沖星分別由FAST于2017年8月22日、25日通過漂移掃描發(fā)現(xiàn)。其實，當(dāng)時FAST已探測到了數(shù)十個優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，但候選體并不能作為最終的結(jié)果。為了確保結(jié)果的可靠性，經(jīng)國際合作，例如利用澳大利亞64米帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，最終認(rèn)證了上述兩顆。澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡科學(xué)主管喬治-霍布斯評價說，“這是國際天文學(xué)界最令人激動的事件之一”。

2018年4月18日，F(xiàn)AST首次發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星也得到國際認(rèn)證，這是FAST繼發(fā)現(xiàn)脈沖星后的另一個重大成果。首次發(fā)現(xiàn)的脈沖星的自轉(zhuǎn)周期均為秒級別，而這次發(fā)現(xiàn)的脈沖星的自轉(zhuǎn)周期在毫秒級別！這顆脈沖星被命名為J0318+0253，自轉(zhuǎn)周期為5.19毫秒。根據(jù)估算，它距離地球約4000光年，是至今發(fā)現(xiàn)的射電流量最弱的高能毫秒脈沖星之一。國際大型射電天文臺曾對其進(jìn)行過多次搜索，例如美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡就在2013年6月開展了3次定點觀測，都未探測到它。毫秒級脈沖星的發(fā)現(xiàn)，展示了FAST在科研方面的重大潛力。

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。20多年鑄就而成的“中國天眼”，值得信賴，更值得期待！

（責(zé)任編輯：張潔白玉磊責(zé)任校對：趙夢祺）