中國大口徑望遠鏡FAST預計2016年成型 將領跑世界

　　大科學工程是20世紀以來世界科技進步和社會發展的最重要的基礎設施，也是一個國家創新力以及核心競爭力的主要表征。就當今世界科技而言，一個國家在關鍵領域領先一步，哪怕只是一小步，往往都會造成“勝者全得”或者“強者恒強”的局面。而為實現領先一步，大科學工程當之無愧地成為“國之重器”。從“兩彈一星”到載人航天，從北京正負電子對撞機到大亞灣中微子實驗，中國每一次重大科學突破，幾乎都與大科學工程聯系在一起。新中國成立后，中國的大科學工程同時面向國家戰略需求和世界科學前沿，通過核心技術突破和資源集成，取得了諸多決定著國家地位和命運的重大成果。歷史和現實一再見證，搞大科學工程是中國科學技術跨越式發展的必由之路，也是我們集中力量辦大事的政治優勢的集中體現。本報今天開始以新欄目“走近中國大科學工程”，引領讀者徜徉最前沿的科學天地，并深度感知那些和平發展的中國故事。

位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮金科村的500米口徑球面射電望遠鏡全景。

■走近中國大科學工程

　　從貴陽機場驅車向南，經高速公路轉上土石路，顛簸3個小時，穿過最后一道狹窄山口，500米直徑的白色鋼環突然出現，填滿了視野。那是史上最大望遠鏡的圈梁。

　　走上FAST(500米口徑球面射電望遠鏡)的圈梁，像是走在一座鋼橋上。它被50根6米到50米高低不等的鋼柱支在半空，周長1.6公里，繞走一圈要40分鐘。

　　雞蛋粗細橡膠表面的索繩，攀附圈梁懸垂交錯，總重1300噸，已編織成網，于2月4日完工。下一步，就是拼裝FAST的天線反射面。FAST預計2016年成型，中國的射電天文學屆時將領跑世界。

越大越好

　　電視收不到信號時，屏幕上不是一片空白，而是雪花閃爍并發出刺刺聲，這就是來自太空的射電信號。1931年，美國一位電子工程師發現，銀河中心能傳來有規律的電波。這開創了射電天文學。

　　射電跟光沒太大區別，都是電磁波。光只是能刺激眼睛的一小部分電磁波。從伽馬射線到紫外線到可見光再到紅外線和射電，各有監測這些不同波段電磁波的望遠鏡。“射電”是比紅外線頻率還要低的電磁波段。

　　射電望遠鏡，跟收衛星信號的天線鍋是一回事。通過鍋的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號聚攏到一點上。射電天文學家是裝備最高級的無線電愛好者，他們聆聽的信號不是人造的，而是“天生”的。

　　為了提高射電望遠鏡的表現，天文學家想出一個辦法，就是讓許多個天線鍋對準同一目標，通過比對信號算出更精確的信號位置。但是想接收更微弱的射電，只有把天線鍋造得更大。中國科學院國家天文臺FAST工程首席科學家、總工程師南仁東說，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就分辨不出來。

　　1993年東京召開的國際無線電科學聯盟大會上，包括中國在內的10國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”。他們期望，在全球電信號環境惡化到不可收拾之前，能多收獲一些射電信號。建造FAST的動機肇始于此。

　　FAST之前，世界上最大的射電天線鍋，一個是德國100米直徑的“埃菲爾斯伯格”，一個是美國300米直徑的“阿雷西博”。前者是可以移動搖頭的，后者借助波多黎各島上的喀斯特洼坑，跟FAST相似。

　　造更大的望遠鏡非常困難。天線鍋要求毫米級的精度，在平地上建百米以上的天線鍋，自重就會造成形變，一陣風也會讓它變形。有天文學家提出了思路：在喀斯特地形下常見的“天坑”里造。

最圓深坑

　　1994年底，北京天文臺(現國家天文臺)牽頭20所院校，提出了“喀斯特工程”。準備從中國西南無數個喀斯特地貌的凹坑中，選出一個來建大望遠鏡。

　　看過遙感圖，大家確定了300個候選的圓坑，經過走訪又篩選出80個最圓的。貴州省黔南州平塘縣克度鎮金科村的一個圓形洼地——大窩凼，成為最有力的競爭者。“凼”，音蕩，水坑的意思。

　　“當時到這里來勘測，明顯感覺比其他的凼更圓一點。”南仁東說，他下踏了百個天坑，大窩凼最合適。

　　選一個形狀最圓、深度和尺寸恰好的洼坑，可以減少“磨圓”所需的土石方工程量。在現場，南仁東指著坑底說：“綠色的地面是沒有開挖過的，黃色的是動過土的。”我們目測這兩部分面積是一比一。

　　水在石灰巖上削出幾百米直徑的“凼”。凼的底部都會有一個至少浴缸大小的水洼，這是積水向下滲透的地方。天文學家們考慮到，喀斯特地質下，積水可以從坑底滲漏出去，不至于於積和危害天線。不過FAST的天坑里，還是開掘了一條通到“隔壁”坑里的排水道。

　　指著建在山腰上的六座鋼架(它們將來要拉吊起信號接收器)，南仁東說，如果不依托天坑，這些鋼架就得從平地而起，不光造價承擔不起，也無法達到精度要求。

　　在天坑中建筑，很麻煩的一點是空間騰挪不開。為此施工人員想了很多辦法，用人工補機器的不足，采取一系列新工藝，得以把幾十座鋼梁和幾十段框架，一點點搬運到恰當的位置。

毫米精度

　　FAST的設計目標，是把覆蓋30個足球場的信號，聚集在藥片大小的空間里。不如此，就無法監聽到宇宙中微弱的射電信號。500米的結構，要實現毫米級精度，是天文學家從未做過的。

　　光確保鋼結構不變形就是一大挑戰。熱脹冷縮效應無法忽視。南仁東指著鋼架與邊框相接處說，到了夏天，邊框會比冬天外移30厘米。1.6公里長的巨大邊框并不固定，而是“擱”在鋼架上，它與鋼架的接觸面是一層平滑材料。這樣即使邊框脹縮，鋼架也不會歪斜。

　　FAST的天線鍋呈現標準的球形，在工作時它會變形，在適當的位置形成一個300米直徑的拋物面(只有拋物面才能聚焦信號，球面和拋物面差距最小，可以最方便地在局部形成拋物面)。FAST靠變形來轉換天線方向。

　　就像水手扯動纜繩控制帆的朝向一樣，FAST拉扯索網來變形天線鍋。FAST的鋼索網，聯系著邊框以及2000多個天坑地表面上的小電機。這些電機配合動作，控制著鋼索網的形狀。整個變形過程，由激光定位系統校準。

　　而在索網的上空，高高懸著一個類似于神舟飛船大小的饋源艙(信號接收單元)，內設世界最精貴的接收器。這個接收單元內部，也有一個有六條伸縮腿的變形框架，負責把接收器放置在焦點上。30噸重的饋源艙，被六條400多米的鋼索吊起，移動范圍達200米，再求精度，談何容易。

　　框架、索網、接收器，每一部分的位移都要控制在毫米級，FAST才能正常工作。

　　比起目前領先的“埃菲爾斯伯格”望遠鏡，FAST的靈敏度將提高10倍。這意味著，遠在百億光年外的射電信號，FAST也有可能聽到。