這張拼版照片為FAST項(xiàng)目拼裝第一塊反射面板（左上，2015年8月2日攝）、FAST反射面板安裝近半（右上，2015年12月16日攝）、FAST項(xiàng)目反射面板安裝近八成（左下，2016年3月9日攝）、FAST項(xiàng)目反射面板安裝完成（右下，2016年7月3日攝）。新華社記者 歐東衢 攝
還記得“鍋蓋天線”長(zhǎng)什么樣嗎？
２０１６年７月３日，直徑５００米、迄今全球最大的“鍋蓋”在貴州喀斯特天坑中架設(shè)完成。
它就是５００米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。
它被稱(chēng)為“天眼”，用來(lái)傾聽(tīng)宇宙深處聲音、觀測(cè)宇宙奧秘。
從老式電視上的雪花點(diǎn)說(shuō)起
當(dāng)老式電視收不到信號(hào)時(shí)，屏幕上不是一片空白，而是閃爍著密密麻麻的雪花點(diǎn)。其實(shí)，這些雪花點(diǎn)就是電磁波信號(hào)，其中也包括來(lái)自太空的射電輻射。
１９３３年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家用一臺(tái)靈敏度很高的接收機(jī)意外發(fā)現(xiàn)了來(lái)自銀河中心穩(wěn)定的射電輻射，從此開(kāi)啟射電天文學(xué)的大門(mén)。
用過(guò)“鍋蓋天線”的人知道，鍋蓋口徑越大，電視畫(huà)面也越清晰。對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，口徑越大看得越遠(yuǎn)。全世界的射電天文學(xué)家都追求建造更大口徑的“鍋蓋”，以提高射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、５００米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程副經(jīng)理彭勃說(shuō)，射電望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)建造之初就曾遇到經(jīng)費(fèi)緊張，但不管減什么科學(xué)家們都不愿縮小望遠(yuǎn)鏡的口徑。
“宇宙空間混雜各種輻射，遙遠(yuǎn)的信號(hào)像雷聲中的蟬鳴，沒(méi)有超級(jí)靈敏的‘耳朵’，根本就分辨不出來(lái)。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)５００米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程首席科學(xué)家、總工程師南仁東說(shuō)。
此前，世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，分別是德國(guó)波恩１００米望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)阿雷西博３００米望遠(yuǎn)鏡。前者是可以移動(dòng)“搖頭”的，后者則借助波多黎各島上的喀斯特洼坑建造。
１９９３年國(guó)際無(wú)線電聯(lián)大會(huì)上，包括中國(guó)在內(nèi)的１０國(guó)天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”的倡議，渴望在電波環(huán)境徹底毀壞前，回溯原初宇宙，解答天文學(xué)中的眾多難題。
“造世界第一大口徑射電望遠(yuǎn)鏡，是南仁東老師和幾位前輩的夢(mèng)，體現(xiàn)了中國(guó)天文學(xué)家的鴻鵠之志。”彭勃說(shuō)。
１９９５年底，北京天文臺(tái)聯(lián)合國(guó)內(nèi)２０余所大學(xué)和研究所，成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國(guó)推進(jìn)委員會(huì)，提出了利用貴州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天線陣”的喀斯特工程概念。
此后，中國(guó)科學(xué)家們進(jìn)一步推進(jìn)喀斯特概念，提出獨(dú)立研制一臺(tái)新型的喀斯特單元，即５００米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。
為了給新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”安家，科學(xué)家們通過(guò)衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個(gè)遍。彭勃回憶說(shuō)，當(dāng)時(shí)天文臺(tái)委托兩家院所進(jìn)行獨(dú)立搜尋，從３００多個(gè)候選洼坑中遴選。結(jié)果，位于黔南州平塘縣的大窩凼兩次都獲最高分。
貴州天然喀斯特洼坑提供的條件，始終都是中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡最獨(dú)到、成為世界最大最強(qiáng)的基礎(chǔ)。
不只是大一圈——中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)在哪？
無(wú)論是置身大射電望遠(yuǎn)鏡邊上，爬上附近山頂?shù)挠^景臺(tái)，還是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)視頻，你都能直觀感受它的第一特點(diǎn)——大?？茖W(xué)家們形容它是一座“觀天巨眼”。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)５００米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程總工藝師王啟明說(shuō)，僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的６座高塔就用掉１萬(wàn)多噸鋼材。
“望遠(yuǎn)鏡反射面總面積為２５萬(wàn)平方米，相當(dāng)于３０個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。盡管反射面板才１毫米厚，也用掉２０００多噸鋁合金。”王啟明說(shuō)。
但大射電望遠(yuǎn)鏡絕不是金屬堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文儀器。由于采用光機(jī)電一體化的饋源平臺(tái)，加之饋源艙內(nèi)的并聯(lián)機(jī)器人二次調(diào)整，它在饋源與反射面之間無(wú)剛性連接的情況下，可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)指向跟蹤，確保精確地聚集和監(jiān)聽(tīng)宇宙中微弱的射電信號(hào)。
大射電望遠(yuǎn)鏡的建造工藝也是精益求精。王啟明說(shuō)，由于嚴(yán)苛要求，這個(gè)大科學(xué)工程推動(dòng)了多領(lǐng)域裝備制造能力的提升：
——主動(dòng)反射面的索網(wǎng)具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞特征，其５００兆帕的超高應(yīng)力幅，是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的２．５倍；
——幫助反射面變位的２０００多個(gè)液壓促動(dòng)器通過(guò)伸縮實(shí)現(xiàn)精確定位、協(xié)同運(yùn)動(dòng)，還可將自身各項(xiàng)狀態(tài)信息上報(bào)給控制系統(tǒng)，滿足適時(shí)跟蹤、換源等運(yùn)動(dòng)要求；
——承擔(dān)著傳輸各種數(shù)據(jù)信息使命的動(dòng)光纜可經(jīng)受反復(fù)彎曲、卷繞和扭轉(zhuǎn)等機(jī)械性能和惡劣自然環(huán)境考驗(yàn)。
“我們的最初設(shè)計(jì)理念源自美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。但跟阿雷西博相比，主動(dòng)反射面系統(tǒng)是我們最大的創(chuàng)新。”彭勃說(shuō)，大射電望遠(yuǎn)鏡的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動(dòng)變化，帶動(dòng)索網(wǎng)上的４４５０個(gè)反射單元，在射電電源方向形成３００米口徑瞬時(shí)拋物面，極大提升觀測(cè)效率。
阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是固定望遠(yuǎn)鏡，只能通過(guò)改變天線潰源的位置掃描天空中的一個(gè)約２０度的帶狀區(qū)域。而主動(dòng)反射面讓中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡擁有更廣的觀測(cè)范圍，能覆蓋４０度的天頂角。
大射電望遠(yuǎn)鏡的工作頻率比較廣。彭勃說(shuō)，饋源艙內(nèi)配置了覆蓋頻率７０ＭＨｚ～３ＧＨｚ的多波段、多波束饋源和接收機(jī)系統(tǒng)。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)鄭曉年說(shuō)，１００米口徑的德國(guó)波恩望遠(yuǎn)鏡曾號(hào)稱(chēng)“地面最大的機(jī)器”，中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡與它相比，靈敏度提高約１０倍。３００米口徑的美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，５０多年一直無(wú)人超越，中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡跟它相比，綜合性能提高約１０倍。
7月3日，工作人員在吊裝FAST最后一塊反射面板。新華社記者 歐東衢 攝
扎根喀斯特天坑放眼宇宙深空
“跟其他射電望遠(yuǎn)鏡一樣，中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡最主要的兩大科學(xué)目標(biāo)是巡視宇宙中的中性氫和觀測(cè)脈沖星，前者是研究宇宙大尺度物理學(xué)，以探索宇宙起源和演化，后者是研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律。”鄭曉年說(shuō)。
地球大氣層留給人類(lèi)探索宇宙兩個(gè)窗口，一個(gè)是光學(xué)，一個(gè)是射電。對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，如果光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是顯微鏡，那么射電望遠(yuǎn)鏡就是ＣＴ機(jī)，可以獲得天體的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。
“有７套接收機(jī)，因?yàn)椴煌牟ǘ斡^測(cè)的頻率不一樣，觀測(cè)和研究目標(biāo)就不一樣。”彭勃說(shuō)，在大射電望遠(yuǎn)鏡眼中，宇宙和宇宙天體是一種立體的呈現(xiàn)。
半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，全世界所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量尚翻不動(dòng)一頁(yè)紙，中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡的加盟將大大加快這一速度。而收集的能量，意味著解讀宇宙深處奧秘的信息量。
“從射電望遠(yuǎn)鏡誕生至今，人類(lèi)共發(fā)現(xiàn)了約２５００顆脈沖星，如果中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡的工作時(shí)間全部用于觀測(cè)脈沖星，它一年時(shí)間內(nèi)就有望將這個(gè)數(shù)量翻倍。”彭勃說(shuō)，脈沖星可以用于脈沖星導(dǎo)航、脈沖星計(jì)時(shí)陣等應(yīng)用目標(biāo)。
南仁東認(rèn)為，大射電望遠(yuǎn)鏡還有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些前所未見(jiàn)的脈沖星現(xiàn)象，比如說(shuō)一個(gè)脈沖星和一個(gè)黑洞結(jié)對(duì)，那么就可能產(chǎn)生突破性的理論。
物理學(xué)發(fā)展中的每一次小小的進(jìn)步，都伴隨著極大的艱難與曲折。但在人類(lèi)文明進(jìn)步的每個(gè)階段，物理學(xué)始終站在解放生產(chǎn)力的前沿。彭勃說(shuō)，科學(xué)家利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)引力波，并獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡則為自然科學(xué)特別是物理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域提供了重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。
“針對(duì)大眾十分關(guān)心的大射電望遠(yuǎn)鏡能否用于尋找地外文明，答案是肯定的。”彭勃表示，它是探測(cè)系外行星尤其是類(lèi)地行星的利器。由于靈敏度提高，它能看到更遠(yuǎn)、更暗弱的天體，通過(guò)探測(cè)星際分子、搜索可能的星際通訊信號(hào)，尋找地外文明的幾率比現(xiàn)有設(shè)備提升了５至１０倍。
在７月３日饋源艙升艙和反射面板按計(jì)劃完成安裝后，大射電望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行２個(gè)多月的系統(tǒng)調(diào)試，于９月底正式竣工投入使用。但要實(shí)現(xiàn)所有功能參數(shù)最優(yōu)化，它還要在兩三年的觀測(cè)中不斷調(diào)試完善。
“大射電望遠(yuǎn)鏡建成后將成為中國(guó)天文學(xué)研究的‘利器’，在未來(lái)１０至２０年保持世界一流設(shè)備的地位。”鄭曉年說(shuō)，“希望中國(guó)科學(xué)家盡快利用它出成果。”
