中國“天眼”志在深空

中國“天眼”志在深空

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（FAST），世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

它被稱為“天眼”，用來傾聽宇宙深處的聲音、觀測(cè)宇宙奧秘。

盡管還有一段時(shí)間FAST才能正式竣工，但這個(gè)位于貴州黔南州平塘縣大窩凼的世界第一大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡早已按捺不住，在工程的最后沖刺階段便摩拳擦掌，開始接收來自宇宙的信號(hào)。

7月3日，隨著FAST的最后一塊“鏡片”吊裝完畢，其主體工程反射面單元系統(tǒng)——那口“大鍋”宣告完工。

作為射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的基本原理和人們常見的鍋式衛(wèi)星天線相差無幾，主要由反射信號(hào)的拋物面和接收信號(hào)的饋源兩大部分組成，通過“鍋”的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號(hào)聚攏到一點(diǎn)上。只不過，F(xiàn)AST這口“鍋”更大，接收面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)。

如今“大鍋告成”，科學(xué)家未來將在這口“鍋”里做出什么“菜”？那些人類用肉眼難以感受到的宇宙信號(hào)又將給這個(gè)世界開啟一扇怎樣的窗戶？備受關(guān)注的地外文明能否通過這口“大鍋”得以證實(shí)或證偽？

從老式電視上的雪花點(diǎn)說起

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)，其中也包括來自太空的射電輻射。

1933年，美國貝爾實(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)了來自銀河中心穩(wěn)定的射電輻射，從此開啟射電天文學(xué)的大門。

用過“鍋蓋天線”的人都知道，鍋蓋口徑越大，電視畫面也越清晰。對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡來說，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)鏡的靈敏度。

中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員、FAST工程副經(jīng)理彭勃說，射電望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)建造之初就曾遇到經(jīng)費(fèi)緊張的問題，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，沒有超級(jí)靈敏的耳朵根本分辨不出來。”FAST工程首席科學(xué)家、總工程師南仁東說。

此前，世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡分別是德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡和美國阿雷西博300米望遠(yuǎn)鏡。前者可以移動(dòng)“搖頭”，后者則借助波多黎各島上的喀斯特洼坑建造。

1993年國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)上，包括中國在內(nèi)的10國天文學(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)了中國天文學(xué)家的鴻鵠之志?！迸聿f。

1995年底，北京天文臺(tái)聯(lián)合國內(nèi)20余所大學(xué)和研究所成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國推進(jìn)委員會(huì)，提出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)家們通過衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個(gè)遍。彭勃回憶，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大射電望遠(yuǎn)鏡最獨(dú)到、成為世界最大最強(qiáng)的基礎(chǔ)。

▲7月3日，工作人員在現(xiàn)場(chǎng)放氣球，慶祝世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡主體工程完成（新華社歐東衢攝）

對(duì)準(zhǔn)銀河系外脈沖星

按照FAST工程設(shè)計(jì)，洼坑內(nèi)鋪設(shè)數(shù)千塊單元組成500米球冠狀主動(dòng)反射面，反射面通過索網(wǎng)帶動(dòng)，可以在射電電源方向上形成300米口徑的瞬時(shí)拋物面，使望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)可以同傳統(tǒng)拋物面天線一樣處在焦點(diǎn)上。

如今，反射面單元完工，用FAST工程總工藝師、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)研究員王啟明的話說，就好比500米口徑的“大鍋”建成了，300米的“碗”可以在“大鍋”里滾來滾去，以便接收宇宙信號(hào)。

事實(shí)上，F(xiàn)AST在此之前的調(diào)試過程中就已經(jīng)接收到一些信號(hào)——這口“大鍋”的每一次調(diào)試，從某種意義上來說，都是一次信號(hào)“接收”的過程。FAST工程常務(wù)副經(jīng)理、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)副臺(tái)長鄭曉年說，這也是大科學(xué)工程的特點(diǎn)，即邊研究邊制造，邊調(diào)試邊使用。

目前，科學(xué)家正在對(duì)這些一手的宇宙信號(hào)進(jìn)行分析處理。鄭曉年說：“現(xiàn)在還不能確認(rèn)。要過濾掉背景的雜音，看看它究竟‘聽’到了什么。”

畢竟，處于調(diào)試階段的“傾聽”環(huán)境不夠理想，因?yàn)镕AST無法忍受一個(gè)充斥著電波的環(huán)境。南仁東曾有一個(gè)形象的說法：“不要說用手機(jī)，就算是附近使用電器，或者幾十公里外有飛機(jī)向地面發(fā)送信息，在FAST那里都會(huì)造成一場(chǎng)電磁風(fēng)暴?！?/p>

因此，平塘縣大窩凼的“天坑”里不通電線，沒有大型工業(yè)，最近一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)在5公里外。

鄭曉年說，一旦FAST正式運(yùn)行，其方圓5公里將被劃為無線電寧靜區(qū)。這意味著可以發(fā)射無線電信號(hào)的電子設(shè)備都將被禁止使用。對(duì)這口“大鍋”來說，這將是一個(gè)極佳的觀測(cè)環(huán)境。

“如果有人在月球上打手機(jī)，我們也可以聽到?！编崟阅暌源藖硇稳軫AST的靈敏度。

根據(jù)科研團(tuán)隊(duì)的設(shè)想，一旦FAST正式運(yùn)行，首要科學(xué)目標(biāo)即是“觀測(cè)脈沖星”。脈沖星是大質(zhì)量恒星演化的最終產(chǎn)物，人類未來有望把脈沖星改造成星際導(dǎo)航，為宇宙飛船指明方向。

不過，目前已觀測(cè)到的約2000顆脈沖星均在銀河系內(nèi)，鄭曉年說，F(xiàn)AST將對(duì)準(zhǔn)的是銀河系外的脈沖星，這對(duì)天文界來說也將是一個(gè)突破。

或能用于尋找外星人

號(hào)稱“看得最遠(yuǎn)”“聽力最靈敏”的FAST能收到遙遠(yuǎn)太空外星文明的信號(hào)嗎？對(duì)這個(gè)很容易吊起大眾胃口的話題，天文界并非沒有議論。一種說法是，今后一二十年里，如果地球接收到外星人釋放的信號(hào)，那一定有FAST的功勞。

對(duì)此，鄭曉年坦言：“地外文明在天文學(xué)界還存有爭論。畢竟，科學(xué)講究試驗(yàn)可驗(yàn)證的，但一些關(guān)于地外生命的可疑信號(hào)卻均因沒能重復(fù)而無法確認(rèn)。”

不過，不管是科學(xué)界的切實(shí)研究，還是科幻界的異想天開，人類在探索未知宇宙的道路上從未停下前行的腳步。

FAST就是一只備受期待的“靈敏大耳朵”。FAST工程總經(jīng)理、中國科學(xué)院國家天文臺(tái)臺(tái)長嚴(yán)俊說，與號(hào)稱“地面最大機(jī)器”的德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST靈敏度提高約10倍，與排在阿波羅登月之前、被評(píng)為人類20世紀(jì)十大工程之首的美國阿雷西博300米望遠(yuǎn)鏡相比，其綜合性能提高約2.25倍。

在FAST最后一塊“鏡片”的吊裝現(xiàn)場(chǎng)，作為受邀來現(xiàn)場(chǎng)觀摩的嘉賓，科幻作家劉慈欣為眼前的這個(gè)大家伙感到震撼。這讓他想到了自己的作品《三體》里中國探尋外星文明的絕秘計(jì)劃“紅岸工程”。

不少年輕的科學(xué)愛好者會(huì)把FAST與“紅岸工程”相提并論，對(duì)此，劉慈欣表示，兩者并不相同——FAST只用來接收信號(hào)而不能向外界主動(dòng)發(fā)射信號(hào)，這說明現(xiàn)實(shí)中的人類在設(shè)計(jì)上相對(duì)謹(jǐn)慎。他十分期待有一天人類可以通過FAST接收到外星信號(hào)。

鄭曉年表示，尋找地外生命的確是FAST的一個(gè)目標(biāo)所在，不過，它更像是排在菜單末尾的甜點(diǎn)。在天文學(xué)家眼中，F(xiàn)AST試圖回答的是更久遠(yuǎn)的問題，比如宇宙演化、脈沖星探測(cè)和星際分子。它將幫助解開宇宙初始混沌、暗物質(zhì)分布與大尺度結(jié)構(gòu)以及星系演化等領(lǐng)域的謎團(tuán)。

“許多人類探索宇宙的未解之謎都有望從它身上找到答案。但究竟能看到什么，在科學(xué)研究出來之前，一切都不好說。”鄭曉年說。

射電天文學(xué)已是諾獎(jiǎng)?chuàng)u籃

與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相比，射電望遠(yuǎn)鏡有不少優(yōu)勢(shì)，比如，無線電波可穿透宇宙中大量存在而光波又無法通過的星際塵埃，因而射電望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)更遙遠(yuǎn)的未知宇宙。

這也讓FAST所在的射電天文學(xué)領(lǐng)域處于天文研究的前沿地帶，并成為諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃。在諾貝爾獎(jiǎng)歷史上，明確基于天文觀測(cè)的10項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果中，有6項(xiàng)出自射電望遠(yuǎn)鏡。

按照嚴(yán)俊的說法，全新的設(shè)計(jì)思路加上得天獨(dú)厚的地址優(yōu)勢(shì)，使FAST突破了射電望遠(yuǎn)鏡的百米極限，開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式，并將在未來20年～30年保持世界一流設(shè)備的地位。

FAST未來如何運(yùn)行，是否會(huì)向國際同行開放共享的問題也備受關(guān)注。FAST工程辦公室主任張蜀新表示，F(xiàn)AST將向全球開放，但也會(huì)遵循國際慣例，優(yōu)先選擇本國科學(xué)家的項(xiàng)目。鄭曉年也表示，通過觀測(cè)更深遠(yuǎn)、更清晰的宇宙，無論是在最熱的脈沖星領(lǐng)域還是在引力波探測(cè)方面，F(xiàn)AST都將為中國科學(xué)家?guī)砬八从械臋C(jī)遇。

按照計(jì)劃，F(xiàn)AST將在今年9月正式竣工，隨后進(jìn)入全系統(tǒng)調(diào)試階段。（本刊綜合）※

▲FAST的最后一塊反射面單元成功吊裝（新華社歐東衢攝）

▲FAST在星空下的美景（新華社劉續(xù)攝）

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揭秘FAST四大獨(dú)門絕技

獨(dú)門絕技一：大口徑看得遠(yuǎn)

射電望遠(yuǎn)鏡最重要的指標(biāo)參數(shù)就是靈敏度。靈敏度越高，望遠(yuǎn)鏡探測(cè)微弱無線電的能力越強(qiáng)。而要想提高靈敏度，就需要擴(kuò)大射電望遠(yuǎn)鏡的口徑。FAST的口徑達(dá)到了世界之最——500米。理論上，F(xiàn)AST能接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，這個(gè)距離接近于宇宙的邊緣。

400年前人類第一架天文望遠(yuǎn)鏡的口徑僅有4.2厘米，F(xiàn)AST的口徑是它的12000倍。

獨(dú)門絕技二：靈活自如的巨眼

根據(jù)FAST的工作原理，當(dāng)它觀測(cè)天體時(shí)，會(huì)隨著天體的方位變化，在其500米的球冠狀主動(dòng)反射面上實(shí)時(shí)形成一個(gè)300米直徑的瞬時(shí)拋物面，并通過這個(gè)拋物面來匯聚電磁波。

如果把FAST比作一只巨大的眼睛，那么這只巨眼的眼球直徑有500米，而負(fù)責(zé)接收光線的眼珠直徑有300米。FAST就是靠這個(gè)巨大靈活的眼珠來匯聚電磁波、觀測(cè)深空。

獨(dú)門絕技三：毫米精度

FAST的設(shè)計(jì)目標(biāo)是把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào)聚集在藥片大小的空間里，否則就無法監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號(hào)。500米的結(jié)構(gòu)處處都是頭發(fā)絲般毫米級(jí)的精度要求。用來編織索網(wǎng)的7000多根手臂般粗細(xì)的鋼纜，每一根的加工精度都被控制在一毫米以內(nèi)。最終的500米口徑的天線精度是3毫米，每一塊小面板的制造精度是1.5毫米。

獨(dú)門絕技四：深空獵手

FAST期望第一年就找到顆50顆～80顆銀河系外的脈沖星。FAST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，掌握星系之間互動(dòng)的細(xì)節(jié)，揭秘宇宙的起源和演化。FAST還能監(jiān)聽到一些太空有機(jī)分子發(fā)出的獨(dú)特電磁波，搜索可能的星際通訊信號(hào)和外星生命。