張開“天眼”看宇宙

任玉梅

2 0 1 6年9月2 5日，“中國天眼”FAST即將在貴州平塘正式竣工并投入使用。這一天文學盛事，掀起了大眾對尋找地外文明的熱議。

而在中科院國家天文臺副臺長鄭曉年看來，“尋找地外生命，的確是FAST的一個目標所在，但它更像是排在菜單末尾的甜點。FAST試圖回答的，是更久遠的問題，比如宇宙演化、脈沖星和星際分子，它將幫助解開宇宙初始混沌、暗物質分布與大尺度結構以及星系演化等領域的謎團。”

那么，FAST將如何解答這些謎題？

FAST謎題之尋找地外文明

FAST，全稱“500米口徑球面射電望遠鏡”，是目前世界最大的單口徑球面射電望遠鏡，它的靈敏度與號稱“地面最大機器”的德國波恩100米射電望遠鏡相比，提高了約10倍；綜合性能與“人類20世紀10大工程”之首的美國阿雷西博305米射電望遠鏡相比，同樣提高了約10倍。

“這意味著，它建成后將成為中國天文學研究的‘利器，在未來20～30年保持世界一流設備的地位。”鄭曉年解釋說。

中科院國家天文臺研究員、FAST工程經理部副經理彭勃則表示：“由于靈敏度更高，FAST能看到更遠、更暗弱的天體，通過探測星際分子、搜索可能的星際通訊信號，尋找地外文明的幾率比現有設備提升了5～10倍。”

那么，FAST是怎樣尋找地外文明的？

答案是，通過一種波——一種肉眼看不見的無線電波。

和光學望遠鏡主要通過可見光來觀測宇宙不同，射電望遠鏡主要觀測的是無線電波。由于無線電波能穿透宇宙中大量存在、且光波無法通過的星際塵埃，因而射電望遠鏡的“視力”要比光學望遠鏡強得多。

正因為如此，自1932年射電望遠鏡問世后，便開啟了探索宇宙的黃金時代——20世紀60年代，天文學四大發現類星體、脈沖星、星際有機分子和宇宙微波背景輻射，都與射電望遠鏡有關；諾貝爾獎歷史上10項天文學獎中，有6項都基于射電望遠鏡的觀測成果，射電天文學也因此成為“諾貝爾獎的搖籃”。

不過，來自太空的無線電信號非常微弱，有天文學家形象地比喻：“把80余年來所有射電望遠鏡收集的能量集中起來，甚至翻不動一頁紙。”因此，要想閱讀更多的宇宙信息，就需要“視力”更強的射電望遠鏡。

而這一“視力”的靈敏度與口徑的平方成正比，可探測范圍與口徑的三次方成正比——總之，口徑越大，射電望遠鏡的“視力”就越強。

據鄭曉年介紹，直徑500米的 FAST理論上能接收到137億光年以外的電磁信號，這一距離，已接近宇宙邊緣。

也就是說，如果宇宙中真的存在地外文明，FAST就極有可能捕捉到相關信號，從而揭開這些“星際鄰居”的神秘面紗。

FAST謎題之探秘宇宙大爆炸

“FAST最主要的兩大科學目標，是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈沖星。”中科院國家天文臺FAST工程總工藝師王啟明介紹說。

中性氫，這是什么東西？探測它有什么用？

實際上，中性氫與大眾耳熟能詳的一個詞——“宇宙大爆炸”有關。

我們知道，宇宙起源于137.4億年前的一次大爆炸。但是，由于此前科學家很難將觀測延伸到如此久遠之前，關于大爆炸的細節，尤其是爆炸之初最為重要的60秒里發生的劇變，至今尚無明確答案。

幸運的是，宇宙中還有一位與大爆炸幾乎同齡的“老人家”——中性氫。

中性氫能輻射出21厘米氫譜線，它能穿越宇宙塵埃、暗云等星際物質，因此能用于研究星際中性氫原子分布、銀河系和河外星系結構，幫助人們解開宇宙大爆炸之謎。

但是，由于21厘米氫譜線的信號極其微弱，“閱讀”它需要非常靈敏的望遠鏡，比如我們的FAST。

實際上，為了提高靈敏度，FAST采取了非常嚴苛的“毫米標準”。

“FAST的目標，是把覆蓋30個足球場的信號，聚集在藥片大小的空間里，如果不這樣，就無法監聽到宇宙中微弱的射電信號，”王啟明介紹說，“因此，FAST500米口徑的巨大結構，處處都是頭發絲般的毫米級精度要求。用來編織索網的上萬根手臂般粗細的鋼纜，每一根的加工精度都被控制在1毫米以內；天線精度是3毫米，每一塊小面板的制造精度是1.5毫米。”

此外，由于FAST采用了光機電一體化的饋源平臺，加之饋源艙內的并聯機器人二次調整，它在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，可實現毫米級指向跟蹤，精確聚集和監聽宇宙中微弱的射電信號。

那么，FAST的靈敏度到底有多高？王啟明打了個比方：“假設你在月球上打電話，FAST也能探測到你的信號。”

FAST謎題之星際旅行導航

FAST的另一大科學目標，是觀測脈沖星。

脈沖星是高速自轉的中子星，具有極其穩定的周期性，是宇宙中最精準的“天文時鐘”。因此，它能成為星際航行的“燈塔”，為宇宙飛船提供自主導航信息服務。

“從射電望遠鏡誕生至今，人類共發現了約2500顆脈沖星，如果FAST的工作時間全部用于觀測脈沖星，它一年內就有望將這個數量翻倍。”彭勃說。

而且，目前已觀測到的脈沖星均在銀河系內，FAST將對準銀河系外的脈沖星，為天文界開拓新的研究領域。

當然，FAST能做的還有更多：探索暗物質與暗能量，檢測引力波，研究黑洞如何吞噬小天體，搜尋中子星-黑洞雙星、奇異星、夸克星物質……作為物理學和天文學研究的新平臺，它將幫助我們解開深遠宇宙中的更多謎題。

FAST謎題之“眼珠”怎樣動起來

“中國天眼”之所以擁有如此多的強悍功能，不僅源于它的大，更來自它的靈巧——它是會“動”的！

也許你會說，眼睛不都會動嗎？但對射電望遠鏡來說卻并非都是如此。

在FAST問世之前的世界最大單口徑球面射電望遠鏡——美國阿雷西博305米望遠鏡就不會“動”，而FAST則能在局部300米直徑的拋面上“動”起來。

打個比方，阿雷西博就像是一只固定不動的305米直徑的大眼睛，而FAST則是一只更大的、直徑500米的眼睛，它上面有300米直徑的眼珠，可以靈活轉動，因而能眼觀六路，視野寬廣。

“眼珠”之所以會動，源于FAST工程中的中國三大自主創新之一——“主動反射面”技術。

據王啟明介紹，為了讓FAST能“動”起來，科學家們煞費腦筋，不斷探索、試驗，最終選擇了“索網”結構，將4450個反射面單元面板固定在上萬根鋼索上，形成一個巨大的“網兜”——這也是目前全球跨度最大、精度最高、第一個采用變位工作方式的索網結構，再次刷新了世界紀錄。

為提高索網的支撐作用，FAST項目團隊研發出具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞特征的專用鋼索，其500兆帕的超高應力幅，達到了國家標準的2.5倍。

“這種材料當時在國內沒人能生產出來。”王啟明介紹說，FAST項目團隊用了整整兩年時間，尋遍國內頂級的鋼索廠及高校，才最終攻克了這種鋼索技術。

在FAST反射面單元面板下，還創新設置了2000多個促動器。它們就像2000多只靈活的大手，拉動、支撐著索網，使500米直徑的球面能局部變形為300米直徑的拋面，從而讓FAST的“眼珠”能跟隨天體轉動，跟蹤掃描射電源。

實際上，FAST的建設，“從技術到材料，90%以上都是國產化，是中國制造，更是中國創造。”王啟明說。

因此，FAST的建成，拓寬了中國科技創新的新維度，推動著我國在天線制造技術、微波電子技術、并聯機器人、大跨度結構、公里范圍高精度動態測量等眾多高科技領域的發展。未來，它還將為我們帶來哪些傳奇，讓我們拭目以待！（編輯/余風）