FAST望遠鏡：“天眼”開啟

曹玲

9月25日，在貴州黔南州平塘縣克度鎮大窩凼，世界最大的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）落成啟用

選址

9月25日，貴州省平塘縣克度鎮的山坳里，建成了一口巨大的“鍋”，這口鍋直徑500米，深173米。“如果裝滿茅臺酒的話，全世界每人能分4瓶。”FAST項目工程經理部副經理彭勃說。

從山頂觀景臺看去，它給人的第一感覺就是大，以至于普通的攝像頭無法全部收納。這口人工打造的“大鍋”，就是500米口徑球面射電望遠鏡（Five- hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope），為了有利于傳播，英文縮寫為FAST，它所在的山坳，名字叫大窩凼。FAST望遠鏡可謂一鳴驚人，將國內最大射電望遠鏡的口徑從幾十米一下子提高到500米，成為世界上最大的望遠鏡。

從1994年FAST選址開始，FAST工程臺址與觀測基地系統總工朱博勤見證了天眼建設的全部過程。1994年6月，他第一次聽說國要建設一個世界最大、新一代的大射電望遠鏡，當時天文臺（原北京天文臺）的領導希望遙感應用研究所能運用遙感技術進行選址。

在遙感應用研究所所長童慶禧院士的倡導下，成立了選址工作組，朱博勤和魏成階、聶躍平、田國良成為選址組的主要成員。當時他正在遙感所承擔1∶10萬比例尺全國土地利用遙感調查任務，再加上由于沒有經費支持，選址只能作為“業余工作”。

剛開始的時候，科學家并沒有確定望遠鏡的具體幾何形態指標，也沒有類似的選址案例可以借鑒，給他們提出的要求是要找一個洼地。洼地有很多種，比如火山口、礦坑和隕石坑，再結合電磁環境、地質條件、排水、造價，以及有無降水、滑坡和地震等災害等諸多因素之后，發現巖溶地區的洼地最適合建造大型望遠鏡。“除了貴州，廣西也有巖溶地貌，比如漓江兩岸的山區，但它是發育到中晚期的巖溶地貌，是峰林洼地，和外界直接相通。而貴州多地的巖溶地貌還是早期地貌，是峰叢洼地，像大窩凼這樣被山圍起來的地形，對減少電磁波的干擾特別有效。”

最早他們用馬馱著行李，找當地老百姓當向導，去考察各個洼地，一天只能看一兩個洼地。通過與天文臺項目推進工作組的不斷交流和討論，直到1998～1999年，才終于明確了對地形的要求——需要一個500米口徑的洼地。他們將350～600米口徑的洼地建立了數據庫，考察洼地的深度、開口大小、有無居民點，有沒有排水洞等因素，從400多個洼地中篩選出24個，又從24個中篩選出3個，最后選出了大窩凼。據彭勃介紹，當時國家天文臺委托兩家院所進行獨立搜尋，大窩凼都獲得了最高分。

大窩凼有著極為寧靜的自然環境，由于無線電環境對射電望遠鏡影響極為重要，項目地址半徑5公里之內必須保持寧靜和電磁環境不受干擾。大窩凼附近沒有集鎮和工廠，在5公里半徑之內沒有一個鄉鎮，25公里半徑之內只有一個縣城，是最為理想的選擇。

“大窩凼的深度、形狀、電磁波環境、周圍巖石基礎都是最佳的。它底部有個落水洞，東邊一公里之外有個比大窩凼還要低的水淹洞，可以開一個隧道進行排水，雨水不會在表面淤積，腐蝕和損壞望遠鏡。”朱博勤說。FAST臺址內建有環形和縱向排水溝，雨水會順著排水溝從上往下流，直至臺址底部中心，然后通過隧道流出。從地形上看，大窩凼很圓，周圍的基巖很堅實，可以作為基梁和塔的支撐基礎，而且開挖土石方量也很小。”

貴州有很多和大窩凼類似的天坑

2009年6月，朱博勤正式調到中國科學院國家天文臺，與臺址勘察與開挖系統、臺址與觀測基地系統團隊一起直接參加FAST工程建設至今。除此之外，他還負責修路、綠化等工作，他指著周圍的花草說，這些都是他前幾天剛買的。FAST基地新建的實木結構綜合樓里一片綠油油，也是他的成果。參與世界最大單口徑射電望遠鏡的建設讓他倍感榮幸、自豪，他說：“作為FAST工程的建設者，我熱切期待觀天巨眼睜開眀眸、辨識宇宙。”

大窩凼就像一個天然的巨碗，剛好盛起望遠鏡約20萬平方米的巨型反射面。建成后的望遠鏡，填滿了整個山谷。如今，它終于睜開了“眼睛”，向宇宙深處觀看。

傾聽宇宙的聲音

為什么要造這樣一臺大望遠鏡呢？

當你聽音樂時，你的耳朵所接收到的音頻范圍其實很廣，從重低音的隆隆聲到最高的一調。如果你的耳朵只能聽到非常有限的音頻范圍，你將會錯過大部分美妙的音樂。類似的問題也會發生在天文學家身上，由于人眼的視力僅限于看見可見光，幾百年來天文學家始終是徘徊在電磁波“中音區”的井底之蛙。

電磁波包含的范圍很廣，除了可見光之外，微波、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線都是電磁波家族中的成員。人眼只能感知介于紅光和藍光波長范圍內的有色光，對于具有更長波長或者更短波長的電磁波，就無法識別了。而宇宙本身散射著各種波長的電磁波，如果只研究可見光波段的電磁波就好比帶著嚴重的聽力障礙去聽音樂會。

直到一個世紀前，人們才發現在宇宙中存在看不見的電磁輻射，它們從宇宙深處不遠萬里來到地球。就拿宇宙中的無線電波（又稱射電波）來說，它是在20世紀30年代被意外發現的。盡管某些來自宇宙的無線電波和地面上的廣播站擁有相同的頻率，但并不意味著宇宙也在向我們廣播。因為來自太空的無線電波極其微弱，根本不足為聽。如果將這些電波轉換為聲音，你聽到的不過是爆裂聲或者嘶嘶聲。為了將頻率調到宇宙電臺，我們需要一個巨大的碟形天線——射電望遠鏡。“哈勃等傳統光學望遠鏡接收的是可見光，射電望遠鏡接收的是肉眼看不到的射電波。我們的手機接收的信號大約是900兆，FAST望遠鏡接收的信號范圍從7兆到3G。”FAST項目測控系統工程師翟學兵說。

FAST之前，世界上最大的射電天線鍋是美國300多米直徑的阿雷西博望遠鏡。它建成于1963年，坐落于波多黎各一座火山口，已在世界上接收面積最大的單口徑射電望遠鏡的寶座上雄踞了半個世紀之久。阿雷西博的最初口徑為305米，20世紀70年代擴建至350米。“阿雷西博望遠鏡很成功，建成50多年給我們帶來了很好的科學發現，也給FAST帶來很大信心。”前來參加FAST落成儀式的英國天文學家彼得·諾曼·沃金森（Peter Norman Wikinson）說。

20世紀60年代天文學取得了四項非常重要的發現——脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子，被稱為“四大發現”，這四項發現都與射電望遠鏡有關。諾貝爾獎歷史上基于天文觀測的10項獲獎成果中有6項都出自射電望遠鏡，可以說，現代射電天文學已成為諾貝爾獎的搖籃。

1993年，東京召開國際無線電科學聯合會（URSI）大會，籌謀21世紀初的射電天文學發展藍圖。包括中國在內的10國天文學家分析了射電望遠鏡綜合性能的發展趨勢，為觀測不同宇宙距離上的中性氫提出了建造下一代大射電望遠鏡LT的倡議。LT將是一個總接收面積1平方公里的射電陣（1999年，LT易名為平方公里陣SKA）。科學家們期望，在電波環境徹底被破壞之前，真正看一眼初始的宇宙，弄清宇宙結構是如何形成和演化至今的，只有大射電望遠鏡才能幫助人類實現這一夢想。如果失去這一機會，人類就只能到月球背面去建造同樣口徑的望遠鏡。

制造更大的望遠鏡非常困難。天線鍋要求毫米級的精度，在平地上建百米以上的天線鍋，自重就會造成形變，一陣風也會讓它變形。所以，FAST最終選址于貴州的“天坑”中。憑借500米的口徑、相當于30個足球場的接收面積，FAST終于取代阿雷西博，成為新的射電望遠鏡之王。它不僅在尺寸規模上創造單口徑射電望遠鏡的新世界紀錄，而且在靈敏度和綜合性能上，也登上了世界的巔峰。與號稱“地面最大的機器”德國波恩100米望遠鏡相比，FAST的靈敏度提高約10倍;與阿雷西博300米望遠鏡相比，FAST的靈敏度高2.25倍。可以預測，FAST將在未來20～30年保持世界一流設備的地位。

尋找脈沖星

走進FAST，它的白色圈梁就像一座鋼橋，被50根6米到50米高低不等的鋼柱支在半空，周長1.6公里，走一圈大約40分鐘。雞蛋粗細的鋼索攀附圈梁懸垂交錯，總重1300噸，編織成一張巨大的網。

望遠鏡的反射面有近30個足球場大，由2400塊邊長11米的鋁制三角形組成，每個三角形的連接點都可以依靠下拉索，通過促動器進行運動。科學家可以根據觀測天體的方位，在500米口徑反射面的不同區域，將部分面板組合成口徑300米的拋物面望遠鏡，以觀測不同角度的天體。形象地來說，如果把FAST比作一只巨大的“眼睛”，那么這只“巨眼”的“眼球”直徑是500米，而負責接收光線的“眼珠”直徑是300米。FAST正是依靠這顆巨大靈活的“眼珠”，來匯聚電磁波、觀測深空的。

從鋁制反射面板的下方看上去，面板像篩子一樣布滿小孔，每塊面板有50%的面積是鏤空的。這些小孔可以減輕重量，減少變形。漂浮物和小顆粒可以通過面板直接過濾，面板上的灰塵會在下雨時從小孔沖刷掉，其他雜物比如落葉，可以順著球面落到底部再被清理。除此之外，這種透風的設計還可以減少氣流對電磁波接收的干擾。此外，光線穿透一個個小孔，讓反射面下的植被正常生長，望遠鏡底部不會日久天長變成一個爛泥坑。有風的時候，風通過面板，會發出輕微的哨聲。

鍋底正上方懸吊著一個被稱為饋源艙的裝置，饋源艙平臺下安裝著FAST用來接收信號的饋源接收機，通過它把數據傳輸出去。“與國外的射電望遠鏡不同，FAST饋源艙可以移動。”FAST工程饋源艙支撐系統副總工程師李輝說。他們的創新之處還在于，將萬噸級別的饋源平臺系統降低至30噸。

“人們都知道FAST的‘大，但實際上它的‘精準才最令人震撼。”朱麗春是FAST工程系統中唯一的女性“總工”，自稱“女漢子”，她所負責的測量與控制系統是FAST工程的關鍵技術之一。“沒有精密測控，FAST會變成癱瘓的植物人。”以饋源艙的測控進度為例，進行觀測時，僅僅移動艙體這個簡單過程，也要經過三級精密測控。“大鍋”邊緣矗立著24個安置激光全站儀的基墩，工程師用梅花樁將其打到地面的基巖。“經過3年測試，基墩達到了不超過一毫米的高穩定性，從而保證饋源艙的移動定位和反射面變形形成的瞬時拋物面使用相同的基準，達到同時、同位置運行的要求。”朱麗春說。

FAST望遠鏡建成之后，未來3～5年的工作重點是調試和試觀測。“并不是說今天建成了，明天就可以‘下鍋炒菜。反射面由球狀變為拋物面的變形過程，以及饋源艙的移動進度，都還需要進一步調試，距離開展業務化常規觀測還有相當長的路要走。”朱博勤說。

隨著望遠鏡的建設，來參觀的人越來越多，這讓科學家們擔憂。FAST工程的諸多科學家紛紛表示，未來游客參觀望遠鏡時，絕不允許攜帶手機、數碼相機、智能手環等電子設備，這樣可能會導致FAST接收到的信息失效或者有偏差。為了保護FAST免受電磁干擾，2010年12月電磁兼容工作組成立，負責電池環境的保護和無線電干擾的協調。貴州省也制定了《貴州省500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》，已于2013年起實施。

從克度鎮到FAST望遠鏡大概半個小時車程，途中一個拐彎處立了一塊巨大的藍色告示牌，上面寫著：“您已進入電磁波寧靜保護區，請自覺遵守貴州省人大常委會批準的《黔南布依苗族自治州500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區環境保護條例》。”這個條例于今年9月25日起正式施行。

“射電望遠鏡面臨一個挑戰，來自外太空的信號非常微弱，而人造信號則很強大，所有射電望遠鏡收集的信號加起來，還比不上打開一個手電筒的能量。在距離射電望遠鏡一公里的地方使用手機，會比宇宙中最強大的射電源還要強大。”沃金森說。

據他介紹，科學家還將利用FAST對已被發現的脈沖星進行觀測，以此驗證望遠鏡的各項指標，為發現新的脈沖星做準備。

事實上，FAST已經有了新的發現。9月25日，中科院國家天文臺臺長嚴俊在FAST落成啟動儀式上透露，FAST上周已在早期科學觀測中，成功接收到一顆脈沖星發出的脈沖信號。從獲取的頻率相位圖中，科研人員計算出這顆脈沖星與地球相距1351光年。

FAST的科學目標中最重要的一項就是觀測脈沖星。脈沖星是宇宙中具有超強磁場，并極快速旋轉的中子星，科學家將脈沖星比作一座燈塔，不僅僅是因為它的光束像燈塔，更因為它能在宇宙中指明方向。未來星際航行時，只要宇宙飛船上安裝脈沖信號的接收機，接收至少三顆脈沖星信號，宇航員們就能準確地知道飛船在宇宙中所處的方位。同時，脈沖星發出的射電脈沖信號周期性非常精準，大多數射電脈沖星的周期在100萬年內改變不到1秒，超過地球上已知的鐘表精度的好多個量級，可以作為宇宙時鐘使用。

迄今為止，人們發現了2500余顆脈沖星，其中大部分是由澳大利亞64米口徑的帕克斯望遠鏡找到的。有研究認為，如果使用FAST來尋找脈沖星，我們將能發現6500顆新的脈沖星，這將是已發現脈沖星總量的2.6倍。FAST加盟大口徑望遠鏡家族，將大大推進人類認識宇宙的速度。

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。它還能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地外文明。FAST工程副總工藝師孫才紅表示：“無線電臺、衛星電視發出的無線電信號，都存在人為編碼。而天體信號是一種類似有規則的隨機信號，不會有人為調制痕跡。如果FAST能收到太空中有編碼的信號，肯定不屬于天體現象。”

“中國邁出了非常大的一步。當你達到世界水平之后，會把整個世界吸引過來。”對于FAST，沃金森非常期待。

世界著名射電望遠鏡

美國阿雷西博望遠鏡（Arecibo）

美國阿雷西博射電望遠鏡位于波多黎各島上的一座天然火山口當中，反射面口徑為350米，曾出現在“007”系列電影《黃金眼》中。波多黎各島位于赤道附近，這個位置對于跟蹤和觀測行星、脈沖星和其他天體十分理想。

中國上海佘山65米口徑射電望遠鏡

中國上海佘山65米口徑射電望遠鏡是目前亞洲最大的可轉射電望遠鏡，其主反射面面積達到了3780平方米，可以觀測到100多億光年以外的天體，在我國的嫦娥探月工程、火星探測等一系列重要的深空探測任務中都有它的身影。

阿塔卡瑪大型毫米波天線陣（ALMA）

阿塔卡瑪大型毫米波天線陣位于智利北部的查南托高原，由64面口徑為12米的射電天線組成，是多個國家的研究機構合作建造的大型射電望遠鏡陣列。這里海拔5000多米，是地球上氣候最干燥的地區之一，非常適合毫米波天文觀測。

德國埃菲爾斯堡射電望遠鏡（Effelsberg）

馬克斯普朗克研究所的埃菲爾斯堡射電望遠鏡是目前世界上最大的全可動射電望遠鏡之一，位于德國波恩市西南方向約40公里的一個山谷中。這臺望遠鏡的觀測波段很寬，從90厘米到3毫米，靈敏度和分辨率較高，率先在毫米波段觀測到脈沖星的輻射，在射電星系、活動星系核、星際分子等的觀測中也有很好的結果。

澳大利亞平方公里陣列射電望遠鏡（ASKAP）

澳大利亞平方公里陣列射電望遠鏡位于澳大利亞的默奇森地區，由36架碟形天線組成，每架天線的直徑為12米。這一區域沒有其他無線電信號干擾，可以清楚地接收到來自宇宙的信號。