世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡主體工程完工 落戶貴州山區(qū)

　　3日上午，在貴州黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼洼地，隨著中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)嚴(yán)俊的一聲令下，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)的最后一塊反射面單元緩緩起吊，在完成了二次空中轉(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。這標(biāo)志著FAST的主體工程順利完工。

　　這臺(tái)世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡預(yù)計(jì)于9月底全部竣工，用來(lái)傾聽(tīng)宇宙深處聲音、觀測(cè)宇宙奧秘。

　　圖為不同時(shí)期的FAST工程所在地。拍攝時(shí)間分別為2009年5月25日（左上）、2011年9月6日（右上）、2012年8月5日（左中）、2014年5月2日（右中）、2015年1月16日（左下），右下為2016年7月3日拍攝的主體完工后的FAST全景。 　　（前五張圖片由國(guó)家天文臺(tái)FAST項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提供，第六張圖片為新華社記者歐東衢攝）

落戶貴州山區(qū)，是因?yàn)榭λ固氐孛驳奶烊煌菘舆m合建造“鍋蓋”

　　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)。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。

　　20世紀(jì)30年代，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)面就越清晰。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。

　　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。

　　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，有效減輕了工程量，也是中國(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)。

　看得更遠(yuǎn)、聽(tīng)得更清，相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)大，能實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)指向跟蹤

　　這臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡的第一特點(diǎn)就是大。

　　“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”，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)，“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。”難怪科學(xué)家們形容它是一座“觀天巨眼”。

　　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；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)改變天線饋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。

　　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“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。

射電望遠(yuǎn)鏡就像CT機(jī)，可以獲得天體的超精細(xì)結(jié)構(gòu)

　　“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)。“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)。”

　　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。

　　“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)，找到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。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)20年左右保持世界一流設(shè)備的地位。”鄭曉年說(shuō)。

　　(綜合本報(bào)記者趙永新及新華社記者齊健、吳晶晶、胡星、楊維漢報(bào)道)