世界第一“天眼”落戶貴州

蔡如鵬

憑借相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)大小的天線接收面積，F(xiàn)AST的綜合性能將超出目前世界上最強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡10倍

12月26日，中國(guó)天文學(xué)家在貴州省平塘縣正式啟動(dòng)了全球最大射電望遠(yuǎn)鏡“FAST”工程的建設(shè)。

這個(gè)口徑500米的射電望遠(yuǎn)鏡，將架設(shè)在當(dāng)?shù)匾惶幟小按蟾C凼”的喀斯特洼地之中，是世界上正在建造及計(jì)劃建造中口徑最大、探測(cè)能力最強(qiáng)的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員南仁東告訴《中國(guó)新聞周刊》，與目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)建造在波多黎各的口徑305米望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST的綜合性能將提高10倍左右，在未來(lái)20?30年保持世界領(lǐng)先地位。

“70年翻不動(dòng)一頁(yè)書”

與人們熟悉的望遠(yuǎn)鏡不同，射電望遠(yuǎn)鏡既沒有高高豎起的望遠(yuǎn)鏡鏡筒，也沒有物鏡、目鏡，看上去更像是一口大鍋。

“這是因?yàn)樗邮艿牟皇强梢姽猓翘祗w射出的無(wú)線電波?！蹦先蕱|說，千百年來(lái)人類大多是通過可見光波段觀測(cè)宇宙。事實(shí)上，天體的輻射覆蓋整個(gè)電磁波段，而可見光只是其中人類眼睛可以感知的一部分。

射電望遠(yuǎn)鏡正是將那些看不見的電磁波，通過天線收集起來(lái)，然后傳送給接收系統(tǒng)放大并轉(zhuǎn)變成儀器能夠記錄的信號(hào)，供天文學(xué)家分析。自美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的卡爾·央斯基1933年接收到來(lái)自銀河系的射電信號(hào)以來(lái)，近代天文學(xué)許多重大發(fā)現(xiàn)都基于射電天文學(xué)的發(fā)現(xiàn)。

巨大的天線是射電望遠(yuǎn)鏡最顯著的標(biāo)志，它的種類很多，有拋物面天線、球面天線、螺旋天線等，最常用的是拋物面天線，也就是我們看見的“大鍋”。天線對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說，就好比眼睛，它的作用相當(dāng)于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中的物鏡，負(fù)責(zé)收集微弱的宇宙無(wú)線電信號(hào)。

但來(lái)自太空的無(wú)線電信號(hào)極其微弱，70多年來(lái)所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量加在一起還翻不動(dòng)一頁(yè)書。

因此，天文學(xué)家一直試圖建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)橥h(yuǎn)鏡越大，收集到的信號(hào)越多。但由于自重和風(fēng)載引起的形變，傳統(tǒng)的可轉(zhuǎn)動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡的天線最大口徑只能做到100米，否則收集到的信號(hào)就無(wú)法準(zhǔn)確地聚焦到接受系統(tǒng)上。

30個(gè)足球場(chǎng)大的天然鍋架

人工制造遇到難題后，天文學(xué)家們把目光轉(zhuǎn)向了地球上固有的地形地貌——利用天然的洼地作為支架，建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡。于是，這就有了既不架在山頂，也不像“哈勃”那樣遨游太空，而是架在洼地中的FAST。

從1994年起，天文學(xué)家們就開始尋找適合建造FAST的臺(tái)址。最終從黔南近400個(gè)洼地中選中了大窩凼。

大窩凼距離平塘縣城約85公里，是喀斯特地貌所特有的一大片漏斗天坑群。周圍三座山峰呈三足鼎立之勢(shì)，每座距離都在500米左右，中間的洼地正好形成一個(gè)天然的鍋架，又大又圓，剛好可以穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)厥⑾翭AST這口大鍋。

“大窩凼不僅是一個(gè)天然的洼地可以架設(shè)望遠(yuǎn)鏡，而且洼地中均有通向地下水系的通道，可以保障雨水向地下滲透，不在表面淤積、腐蝕和損壞望遠(yuǎn)鏡。”南仁東說。

此外，這一帶只有十幾戶村民，附近沒有集鎮(zhèn)和工廠，在5公里半徑之內(nèi)沒有一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，可以確保電波環(huán)境不受干擾，有利于太空觀測(cè)。

“利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺(tái)址，是我們?nèi)碌脑O(shè)計(jì)思路?！蹦先蕱|說，“這開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式?！?/p>

南仁東告訴《中國(guó)新聞周刊》，工程人員將在洼坑內(nèi)先用約10000根鋼索連成一張大網(wǎng)，然后在上面鋪設(shè)4600多塊三角形的反射板，最終形成一個(gè)巨型反射面，即FAST的天線。天線的接收面積達(dá)到20萬(wàn)平方米，相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)，猶如一只鑲嵌在地面的巨大“天眼”，性能將大大超過傳統(tǒng)的射電望遠(yuǎn)鏡。

反射板由促動(dòng)器控制，可以進(jìn)行整個(gè)反射面的主動(dòng)變形。此外，采用輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的高精度定位。也就是說，這個(gè)巨大的“天眼”還可以根據(jù)需要在洼地上轉(zhuǎn)動(dòng)。

據(jù)悉，這項(xiàng)重大科學(xué)工程的投資為6.67億元人民幣，預(yù)計(jì)2014年建成。建成后，每年的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大約6000萬(wàn)元。與號(hào)稱“地面最大的機(jī)器”的德國(guó)波恩100米口經(jīng)射電望遠(yuǎn)鏡相比，南仁東說，F(xiàn)AST的靈敏度提高了約10倍。靈敏度是衡量射電望遠(yuǎn)鏡性能的重要指標(biāo)之一，它是指射電望遠(yuǎn)鏡“最低可測(cè)”的能量值。

尋找地外文明

那么，F(xiàn)AST建成后，天文學(xué)家能夠利用它具體做些什么呢？

南仁東說，作為一個(gè)多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺(tái)，它將在宇宙大尺度物理學(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)展和突破的機(jī)遇，也將推動(dòng)中國(guó)高科技領(lǐng)域的發(fā)展。據(jù)他介紹，F(xiàn)AST可以將視界延伸至宇宙邊緣，觀測(cè)暗物質(zhì)和暗能量，尋找第一代天體；還可以用一年時(shí)間巡視約7000顆脈沖星，并有望發(fā)現(xiàn)奇異星和黑洞雙星等。

此外，對(duì)于長(zhǎng)久以來(lái)困擾人類的地外文明疑問，F(xiàn)AST將搜尋識(shí)別可能的星際通訊信號(hào)，或許能幫助科學(xué)家揭開地外文明的“冰山一角”。

早在1960年，天文學(xué)家弗蘭克·德雷克就領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)名為“奧茲瑪”的計(jì)劃，搜尋地外文明的信號(hào)。他使用一臺(tái)口經(jīng)26米的射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了幾個(gè)月的觀測(cè)，但結(jié)果一無(wú)所獲。

1974年11月16日，美國(guó)設(shè)在波多黎各的305米口徑射電望遠(yuǎn)鏡落成，作為落成典禮的一部分，天文學(xué)家用它向武仙座球狀星團(tuán)M13發(fā)出了一封“地球電報(bào)”。這個(gè)信號(hào)需要2萬(wàn)4千年才能到達(dá)。這是人類第一次有意識(shí)地向宇宙的其他部分表明自己的存在。

“尋找地外文明的學(xué)科風(fēng)險(xiǎn)是不言而喻的，但它一旦成功，將使人類所有的科學(xué)成就黯然失色。”南仁東說，“所以科學(xué)界的探索、發(fā)達(dá)國(guó)家政府與民間對(duì)此的投入也從未停止。”

目前，天文學(xué)家認(rèn)為，與地外文明通訊的唯一可行的方法，就是尋找來(lái)自地外文明的信號(hào)。它比發(fā)射探測(cè)器去登門拜訪外星人要可行得多。

在這類觀測(cè)項(xiàng)目中，鳳凰計(jì)劃最為著名。它始于1994年，正使用射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)來(lái)自鄰近的大約 1000 顆類太陽(yáng)星周圍的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的搜索和證認(rèn)。

“巨大的FAST也許會(huì)給我們巨大的機(jī)遇?！蹦先蕱|說，即使沒有那份運(yùn)氣，也可以像美國(guó)宇航局微波巡視計(jì)劃那樣，同時(shí)掃描上億個(gè)頻率，診斷微弱的空間窄帶訊號(hào)，其國(guó)家安全方面的價(jià)值不言自明。