“中國天眼”凝望蒼穹

本報綜合

對于宇宙星辰的探索，我們從未停止腳步，宇宙中有其他智慧生物的可能性也在被更多科學(xué)家們認(rèn)可。在傳統(tǒng)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的觀測距離已經(jīng)不能滿足我們探索宇宙的時候，用于接收天體或者宇宙其他生命發(fā)射的射電波段輻射的望遠(yuǎn)鏡被研制出來。

1994年，我國天文學(xué)家南仁東先生提出建設(shè)“天眼”的構(gòu)想，在歷時22年后，2016年9月25日，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，也就是我們常說的中國天眼FAST正式在中國貴州落成啟用，至今平穩(wěn)運(yùn)行。

1、什么是天眼

宇宙中有各種各樣的電磁波射向地球，但是大氣的不同成分會阻擋宇宙電磁波的入射?？茖W(xué)家們往往會采用射電望遠(yuǎn)鏡獲得這些隱藏著宇宙信息的電磁波。射電望遠(yuǎn)鏡，是在射電波段（天文上把部分微波和無線電的波段叫作射電波段）觀測的望遠(yuǎn)鏡，將宇宙天體發(fā)出的無線電波反射會聚到一點(diǎn)，經(jīng)過接收機(jī)的放大，并轉(zhuǎn)變成能用儀器記錄的信號?？梢哉f，射電望遠(yuǎn)鏡就是人類探索宇宙的“天眼”。

2、為何選址在貴州

1994年，中國天眼總工程師南仁東開始為項目選址，研究團(tuán)隊建立了391個候選地區(qū)的地形地貌數(shù)據(jù)庫，再從中精選出90多個進(jìn)行漫長的實地勘察。踏遍千山萬水，項目最終在貴州省平塘縣的大窩凼落地。

地處云貴高原的貴州，地形以高原山地居多，平均海拔約1100米。一般情況下，海拔越高，越能減少電磁波的傳播損失，從而在最大限度地發(fā)揮觀測設(shè)備的效能。天眼作為我國天文觀測的重要基地，如何保障觀測數(shù)據(jù)的清晰準(zhǔn)確至關(guān)重要。

天眼的選址不僅僅考慮海拔條件，還有地貌的要求。作為射電望遠(yuǎn)鏡，天眼需要建造一個“大鍋”接收信號，通過“鍋”的反射聚焦，把大面積的信號聚攏在一點(diǎn)上?！板仭钡拿娣e越大，接收的信號越好，為了減少工程開挖量，項目的選址最好選擇凹形口徑較大的洼地。因此，青藏高原盡管在海拔上占據(jù)優(yōu)勢，但由于群山延綿、分布著大量的永凍土，施工難度極高，不利于天眼的建造，被排除在選址之外?？λ固氐孛矎V布的云貴高原成為最優(yōu)選擇。

隱藏在貴州群山深處的平塘縣大窩凼，就是一片天然的洼地，具有特殊的“凹形”地理結(jié)構(gòu)，宛如一個天然的“灶臺”盛起了天眼的“鍋”。而且這里地下溶洞極為發(fā)育，便于雨水下滲和流動，不易形成積水，避免腐蝕和損壞望遠(yuǎn)鏡，簡直是為天眼量身定做的存在。

同時，由于天眼接收大量的無線電信號，需要十分“安靜”的環(huán)境，人類活動中的電視、手機(jī)、廣播等無線設(shè)備都會對天眼的磁場帶來干擾，影響天眼的靈敏度，項目必須遠(yuǎn)離城市、村落和信號基站。貴州的偏遠(yuǎn)地區(qū)，人口密度小，旅游業(yè)發(fā)展程度低，電波干擾比旅游業(yè)發(fā)達(dá)的云南更少。

3、其優(yōu)勢在哪里

無論是從大小，還是部署的科學(xué)項目，可以說都比阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)很多的，并且阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡如今面臨的問題，在我國是不會出現(xiàn)的。根據(jù)公開數(shù)據(jù)顯示，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡因為資金不足，這個望遠(yuǎn)鏡面臨關(guān)閉的危險。同時我們也看到了部分報告指出，這個是世界上第二大單碟射電望遠(yuǎn)鏡——阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，也變得相似一個垃圾場了。

所以從這點(diǎn)情況來看，中國天眼未來將是唯一的“天眼”。在全球天文學(xué)家或者科學(xué)家的共同維護(hù)下，中國天眼未來的發(fā)現(xiàn)是不可預(yù)估的。

4、“中國天眼”如何“睜眼”

“中國天眼”開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式，突破了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的工程極限，采用全新設(shè)計方案、口徑更大，比國外同類望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試期更短，遠(yuǎn)超國際慣例和同行預(yù)期。

靈敏度和分辨率是射電望遠(yuǎn)鏡的兩大核心指標(biāo)。由于星體距離地球十分遙遠(yuǎn)，信號到達(dá)地球時能量微弱，靈敏度是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗弱天體的能力，而要想進(jìn)一步看清遙遠(yuǎn)天體的真實面貌，就要依靠分辨率。

借助“中國天眼”超高的靈敏度，國家天文臺已經(jīng)將脈沖星的計時精度提升至世界原有水平的50倍左右，這將有可能使人類首次具備極低頻的納赫茲引力波的探測能力。

FAST也是中國近年來深空探索最受全球矚目的大科學(xué)裝置。1993年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者約瑟夫·泰勒（JosephTaylor）教授表示：“中國在天文觀測大裝置的建設(shè)方面成就非常大，‘中國天眼的建成只花了5年時間，期待它給我們帶來更多驚喜?！?/p>

約瑟夫·泰勒曾在2016年FAST正式完工時親臨現(xiàn)場參觀。他用“震撼”來形容這一世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。借助這只巨大的“天眼”，科研人員可以窺探星際之間互動的信息，觀測暗物質(zhì)，測定黑洞質(zhì)量，甚至搜尋可能存在的星外文明。

“中國天眼”奠基人、已故FAST工程首席科學(xué)家南仁東在評價FAST的時候曾表示，F(xiàn)AST適合前沿性和探索性的小型研究，比如對脈沖星的研究?！耙粔K方糖大小的脈沖星的重量就可以達(dá)到幾十億噸?！蹦先蕱|曾在接受采訪時說道。

FAST一問世便捷報頻傳。從2017年10月首次發(fā)現(xiàn)2顆脈沖星以來，到2020年1月，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)102顆脈沖星，兩年的“調(diào)試階段”中發(fā)現(xiàn)脈沖星的數(shù)量，超過同期歐美多個脈沖星搜索團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)數(shù)量的總和。

泰勒對“中國天眼”調(diào)試階段就發(fā)現(xiàn)了100顆脈沖星和多起磁暴現(xiàn)象表示驚嘆。他對筆者表示：“為了能夠獲得最大程度的數(shù)據(jù)，我們要珍惜射電望遠(yuǎn)鏡的工作時間，希望相關(guān)購買數(shù)據(jù)的機(jī)構(gòu)能夠盡可能地下載所購買的數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲，從而提升射電望遠(yuǎn)鏡的效率?！?h3>5、天眼建成的意義

雖然“中國天眼”可以向外太空發(fā)射信號，確實也有能力去探索外星文明，但是中國利用“中國天眼”最主要的任務(wù)是尋找脈沖星。脈沖星的觀測研究不僅具有重要的物理意義，而且具有重要的應(yīng)用價值，在時間尺度、深空自主導(dǎo)航等方面具有重要的應(yīng)用前景。隨著性能的提升，F(xiàn)AST科學(xué)潛力逐步顯現(xiàn)。

“FAST的靈敏度是全球第二大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的2.5倍以上，這是中國建造的射電望遠(yuǎn)鏡第一次在靈敏度這個重要指標(biāo)上占據(jù)到了世界的制高點(diǎn)，對促進(jìn)我國天文學(xué)實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破具有重要意義?！盕AST運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任、總工程師姜鵬說，超高靈敏度使其在射電瞬變源方面具有重大潛力，有望在短時間內(nèi)實現(xiàn)納赫茲的引力波探測、捕捉到宇宙大爆炸時期的原初引力波，為研究宇宙大爆炸原初時刻的物理過程提供數(shù)據(jù)支撐。