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完成。它就是500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠鏡。

它被稱為“天眼”，用來傾聽宇宙深處的聲音、觀測宇宙奧秘。

盡管還有一段時間FAST才能正式竣工，但這個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。

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——那口“大鍋”宣告完工。

作為射電望遠鏡，FAST的基本原理和人們常見的鍋式衛星天線相差無幾，主要由反射信號的拋物面和接收信號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聚攏到一點上。只不過，FAST這口“鍋”更大，接收面積相當于30個足球場。

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

從老式電視上的雪花點說起

當老式電視收不到信號時，屏幕上不是一片空白，而是閃爍著密密麻麻的雪花點。其實，這些雪花點就是電磁波信號，其中也包括來自太空的射電輻射。

1933年，美國貝爾實驗室的科學家用一臺靈敏度很高的接收機意外發現了來自銀河中心穩定的射電輻射，從此開啟射電天文學的大門。

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。對于射電望遠鏡來說，口徑越大看得越遠。全世界的射電天文學家都追求建造更大口徑的“鍋蓋”，以提高射電望遠鏡的靈敏度。

中國科學院國家天文臺研究員、FAST工程副經理彭勃說，射電望遠鏡在設計建造之初就曾遇到經費緊張的問題，但不管減什么科學家們都不愿縮小望遠鏡的口徑。

“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根本分辨不出來。”FAST工程首席科學家、總工程師南仁東說。

此前，世界上最靈敏的射電望遠鏡分別是德國波恩100米望遠鏡和美國阿雷西博300米望遠鏡。前者可以移動“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”的倡議，渴望在電波環境徹底毀壞前，回溯原初宇宙，解答天文學中的眾多難題。

“造世界第一大口徑射電望遠鏡，是南仁東老師和幾位前輩的夢，體現了中國天文學家的鴻鵠之志。”彭勃說。

1995年底，北京天文臺聯合國內20余所大學和研究所成立了射電“大望遠鏡”中國推進委員會，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，中國科學家們進一步推進喀斯特概念，提出獨立研制一臺新型的喀斯特單元，即500米口徑球面射電望遠鏡。

為了給新一代射電“大望遠鏡”安家，科學家們通過衛星遙感把貴州喀斯特山區翻了個遍。彭勃回憶，當時天文臺委托兩家院所進行獨立搜尋，從300多個候選洼坑中遴選。結果，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鏡最獨到、成為世界最大最強的基礎。

對準銀河系外脈沖星

按照FAST工程設計，洼坑內鋪設數千塊單元組成500米球冠狀主動反射面，反射面通過索網帶動，可以在射電電源方向上形成300米口徑的瞬時拋物面，使望遠鏡接收機可以同傳統拋物面天線一樣處在焦點上。

如今，反射面單元完工，用FAST工程總工藝師、中國科學院國家天文臺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。

事實上，FAST在此之前的調試過程中就已經接收到一些信號——這口“大鍋”的每一次調試，從某種意義上來說，都是一次信號“接收”的過程。FAST工程常務副經理、中國科學院國家天文臺副臺長鄭曉年說，這也是大科學工程的特點，即邊研究邊制造，邊調試邊使用。

目前，科學家正在對這些一手的宇宙信號進行分析處理。鄭曉年說：“現在還不能確認。要過濾掉背景的雜音，看看它究竟‘聽到了什么。”

畢竟，處于調試階段的“傾聽”環境不夠理想，因為FAST無法忍受一個充斥著電波的環境。南仁東曾有一個形象的說法：“不要說用手機，就算是附近使用電器，或者幾十公里外有飛機向地面發送信息，在FAST那里都會造成一場電磁風暴。”

因此，平塘縣大窩凼的“天坑”里不通電線，沒有大型工業，最近一個鄉鎮在5公里外。

鄭曉年說，一旦FAST正式運行，其方圓5公里將被劃為無線電寧靜區。這意味著可以發射無線電信號的電子設備都將被禁止使用。對這口“大鍋”來說，這將是一個極佳的觀測環境。

“如果有人在月球上打手機，我們也可以聽到。”鄭曉年以此來形容FAST的靈敏度。

根據科研團隊的設想，一旦FAST正式運行，首要科學目標即是“觀測脈沖星”。脈沖星是大質量恒星演化的最終產物，人類未來有望把脈沖星改造成星際導航，為宇宙飛船指明方向。

不過，目前已觀測到的約2000顆脈沖星均在銀河系內，鄭曉年說，FAST將對準的是銀河系外的脈沖星，這對天文界來說也將是一個突破。

或能用于尋找外星人

號稱“看得最遠”“聽力最靈敏”的FAST能收到遙遠太空外星文明的信號嗎？對這個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，那一定有FAST的功勞。

對此，鄭曉年坦言：“地外文明在天文學界還存有爭論。畢竟，科學講究試驗可驗證的，但一些關于地外生命的可疑信號卻均因沒能重復而無法確認。”

不過，不管是科學界的切實研究，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工程總經理、中國科學院國家天文臺臺長嚴俊說， 與號稱“地面最大機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，FAST靈敏度提高約10倍，與排在阿波羅登月之前、被評為人類20世紀十大工程之首的美國阿雷西博 300米望遠鏡相比，其綜合性能提高約2.25倍。

在FAST最后一塊“鏡片”的吊裝現場，作為受邀來現場觀摩的嘉賓，科幻作家劉慈欣為眼前的這個大家伙感到震撼。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劃“紅岸工程”。

不少年輕的科學愛好者會把FAST與“紅岸工程”相提并論，對此，劉慈欣表示，兩者并不相同——FAST只用來接收信號而不能向外界主動發射信號，這說明現實中的人類在設計上相對謹慎。他十分期待有一天人類可以通過FAST接收到外星信號。

鄭曉年表示，尋找地外生命的確是FAST的一個目標所在，不過，它更像是排在菜單末尾的甜點。在天文學家眼中，FAST試圖回答的是更久遠的問題，比如宇宙演化、脈沖星探測和星際分子。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。

“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，在科學研究出來之前，一切都不好說。”鄭曉年說。

射電天文學已是諾獎搖籃

與光學望遠鏡相比，射電望遠鏡有不少優勢，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，因而射電望遠鏡可以觀測更遙遠的未知宇宙。

這也讓FAST所在的射電天文學領域處于天文研究的前沿地帶，并成為諾貝爾獎的搖籃。在諾貝爾獎歷史上，明確基于天文觀測的10項獲獎成果中，有6項出自射電望遠鏡。

按照嚴俊的說法，全新的設計思路加上得天獨厚的地址優勢，使FAST突破了射電望遠鏡的百米極限，開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式，并將在未來20年～30年保持世界一流設備的地位。

FAST未來如何運行，是否會向國際同行開放共享的問題也備受關注。FAST工程辦公室主任張蜀新表示，FAST將向全球開放，但也會遵循國際慣例，優先選擇本國科學家的項目。鄭曉年也表示，通過觀測更深遠、更清晰的宇宙，無論是在最熱的脈沖星領域還是在引力波探測方面，FAST都將為中國科學家帶來前所未有的機遇。

按照計劃，FAST將在今年9月正式竣工，隨后進入全系統調試階段。

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揭秘FAST四大獨門絕技

獨門絕技一：大口徑 看得遠

射電望遠鏡最重要的指標參數就是靈敏度。靈敏度越高，望遠鏡探測微弱無線電的能力越強。而要想提高靈敏度，就需要擴大射電望遠鏡的口徑。FAST的口徑達到了世界之最——500米。理論上，FAST能接收到137億光年以外的電磁信號，這個距離接近于宇宙的邊緣。

400年前人類第一架天文望遠鏡的口徑僅有4.2厘米，FAST的口徑是它的12000倍。

獨門絕技二：靈活自如的巨眼

根據FAST的工作原理，當它觀測天體時，會隨著天體的方位變化，在其500米的球冠狀主動反射面上實時形成一個300米直徑的瞬時拋物面，并通過這個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，而負責接收光線的眼珠直徑有300米。FAST就是靠這個巨大靈活的眼珠來匯聚電磁波、觀測深空。

獨門絕技三：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，否則就無法監聽到宇宙中微弱的射電信號。500米的結構處處都是頭發絲般毫米級的精度要求。用來編織索網的7000多根手臂般粗細的鋼纜，每一根的加工精度都被控制在一毫米以內。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——中性氫云團的運動，掌握星系之間互動的細節，揭秘宇宙的起源和演化。FAST還能監聽到一些太空有機分子發出的獨特電磁波，搜索可能的星際通訊信號和外星生命。