中國“天眼”，志在高遠

陳冰+余思易

500米口徑球面射電望遠鏡，是具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。它的落成啟用，對我國在科學前沿實現重大原創突破、加快創新驅動發展具有重要意義。

冥昭瞢暗，誰能極之？馮翼惟象，何以識之？這是兩千多年前屈原在《天問》中對于位于人類之上的星空所發之問。如今，國人終于可以傲然的給出答案——中國天眼。

中國天眼，位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼的喀斯特洼坑中，專業名稱是“500米口徑球面射電望遠鏡”，簡稱FAST。這座巨大的射電望遠鏡最初由我國天文學家于1994年提出構想，由中國科學院國家天文臺主導建設，是具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。

開創先河的中國天眼

巧妙借助云貴地區特有的喀斯特環狀洼地，FAST利用周圍三座山峰的地勢，像架在鍋架上的“鍋”一樣建造起來。它聆聽著137億光年外的宇宙電波信號，幫助天文學家研究脈沖星、氫輻射，甚至還能尋找外星文明的蹤跡，是名副其實的“天眼”。FAST于2016年9月25日在貴州省平塘縣落成啟用。這個目前中國保持領先的天文工程，開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式，被認為將在未來10至20年內保持世界一流地位。

在此之前，世界上保持領先的射電望遠鏡，一個是德國100米直徑的“埃菲爾斯伯格”，一個是美國300米直徑的“阿雷西博”。而FAST的天線口徑為500米，目前已是國際上最大的單口徑望遠鏡，與號稱“地面最大的機器”——德國“埃菲爾斯伯格”100米望遠鏡相比，其靈敏度提高約10倍。如果天體在宇宙空間均勻分布，FAST可觀測目標的數目將增加約30倍。與美國“阿雷西博”300米望遠鏡相比，FAST靈敏度高2.25倍。

據天文學家預測，FAST將在未來二三十年保持世界一流設備的地位，并將吸引國內外一流人才和前沿科研課題，成為國際天文學術交流中心。更重要的是，以前中國進行天文學研究總是得借助他國的天文望遠鏡，因此中國天文研究一直落后于世界，現在FAST的建成，讓中國有了自己的天文望遠鏡，而且還是世界上最大的、最精準的，這無疑才是讓國人備感自豪的地方。

“浩瀚星空，廣袤蒼穹，自古以來寄托著人類的科學憧憬。天文學是孕育重大原創發現的前沿科學，也是推動科技進步和創新的戰略制高點。500米口徑球面射電望遠鏡被譽為‘中國天眼，是具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。它的落成啟用，對我國在科學前沿實現重大原創突破、加快創新驅動發展具有重要意義。”習近平主席如是說。

“從選址開始，FAST的建造就充滿艱辛和不易。”臺址與觀測基地系統總工程師朱博勤說。“在平地上建百米以上的射電望遠鏡，巨大的自重就會造成形變，一陣風也會讓它變形。所以科學家們決定選擇在洼地里建造。而在具體選址時，則既要考慮電磁波環境、地質條件，還要考慮造價問題。”朱博勤說，“在排除了火山口、礦坑和隕石坑等低洼地形后，我們鎖定了喀斯特地貌。”科學家們前后總共考察了400多個洼地，經過反復比較論證，最終選定了貴州省平塘縣克度鎮金科村的大窩凼洼地。

此后，FAST的創意經過多年反復錘煉，其間對主動反射面、光機電一體化的饋源支撐系統、高精度的測量與控制、接收機等多項關鍵技術開展了合作研究，凝聚了來自多家科研單位的眾多中國科學家的創新研究。

FAST能做什么

射電望遠鏡也是天文望遠鏡的一種。千百年來，人類僅僅是通過可見光波段來觀測整片星空的天體，而實際上，天體具有的輻射覆蓋著整個電磁波段。電磁波（又稱電磁輻射）是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動，其傳播方向垂直于電場與磁場構成的平面，有效地傳遞能量和動量。而射電望遠鏡，觀測的正是電磁波所傳遞的天文學信息。

射電天文望遠鏡通常由三個主要部分構成：匯聚電磁波的反射面、收集信號的接收機以及指向裝置。為實現跨越式發展，中國天文界提出建造世界最大的單口徑射電望遠鏡 ——500米口徑球面射電天文望遠鏡（FAST）。FAST有著三大開創新的特征：利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址；洼坑內鋪設數千塊單元組成500米球冠狀主動反射面；采用輕型索拖動機構和并聯機器人，實現望遠鏡接收機的高精度定位。全新的設計思路，加之得天獨厚的臺址優勢，FAST突破了望遠鏡的百米工程極限，開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式。如果說射電望遠鏡“鍋蓋”越大越靈敏，那么500米的“超級天眼”究竟有多靈敏呢？科學家打了個比方，有人在月亮上打手機，也逃不過它的“眼睛”。

天文設備按國際慣例都是開放的，但中國人要獨立申請使用國外望遠鏡比較難。國內外設備差距比較大，缺乏平等合作的基礎。”國家天文臺“百人計劃”研究員、500米口徑球面射電望遠鏡工程科學部主任朱明說，只有走自主研制之路，才可以扭轉這一局面。“500米口徑球面射電望遠鏡建成，將為我國天文學躋身世界一流創造條件。”中科院國家天文臺臺長嚴俊表示。國家天文臺射電天文研究部首席科學家、“千人計劃”專家李菂說，中國大射電在很多領域都具備超強的能力：發現氣體星系有望在過去的基礎上提高10倍，發現的脈沖星數量有望翻倍，有望發現新的星際分子……

FAST作為一個多學科基礎研究平臺，對于我國科學家觀測許多天文學重要數據有著巨大的推動作用。FAST的本事可不小：FAST有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，觀測暗物質和暗能量，尋找第一代天體。一年時間內，FAST大約能發現約7000顆脈沖星，從而研究極端狀態下的物質結構與物理規律。除此之外，FAST作為最大的臺站加入國際甚長基線網，能為天體超精細結構成像，更是有希望發現奇異星和夸克星物質。科學家們對于FAST有著廣闊的應用前景：通過觀測中子星，科學家們無需依賴模型既能精確測定黑洞質量；通過精確測定脈沖星到達時間，FAST甚至還能用來檢測引力波。endprint

FAST更是在我國當代天文學許多重大需求方面有著重要應用價值。FAST的建成，把我國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通信數據下行速率提高100倍；FAST將脈沖星到達時間測量精度由目前的120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈沖星計時陣，為自主導航這一前瞻性研究制作脈沖星鐘；FAST能進行高分辨率微波巡視，以1Hz的分辨率診斷識別微弱的空間信號，作為被動戰略雷達為國家安全服務。作為“子午工程”的非相干散射雷達接收系統，提供高分辨率和高效率的地面觀測；跟蹤探測日冕物質拋射事件，服務于太空天氣預報。

除此之外，FAST的研究涉及了眾多惠及民生的高科技領域，如天線制造、高精度定位與測量、高品質無線電接收機、傳感器網絡及智能信息處理、超寬帶信息傳輸、海量數據存儲與處理等。FAST關鍵技術成果可應用于諸多相關領域，如大尺度結構工程、公里范圍高精度動態測量、大型工業機器人研制以及多波束雷達裝置等。FAST的建設經驗將對我國制造技術向信息化、極限化和綠色化的方向發展產生影響。

有了FAST，邊遠閉塞的黔南喀斯特山區將變成世人矚目的國際天文學術中心，成為把貴州展現給世界的新窗口。以FAST為主體的天文科普基地將推進我國西部甚至全國的科普工作，教育青少年、宣傳公眾與決策層，為科教興國的長遠戰略目標服務。

FAST的設計綜合體現了我國高技術創新能力。它將在基礎研究眾多領域，例如宇宙大尺度物理學、物質深層次結構和規律等方向提供發現和突破的機遇，也將在日地環境研究、國家安全等方面發揮不可替代的作用。其建設將推動眾多高科技領域的發展，提高原始創新能力、集成創新能力和引進消化吸收再創新能力。

天眼之后，中國天文再上層樓

FAST工程副總經理、辦公室主任張蜀新說，未來2至3年，FAST的重點工作是調試和試觀測工作。“科學家總是希望能夠獲得高質量的觀測數據，所以未來將通過調試和試觀測，以達到望遠鏡的最佳性能。我們當然也期待過程中會有一些令人驚喜的發現。”按計劃，500米口徑球面射電望遠鏡將和我國其他5座射電望遠鏡組成“天眼”群——甚長基線干涉測量網，并主導國際射電領域的低頻測量網，從而更好地獲取天體超精細結構。

未來5至10年，大射電等項目只是我國大望遠鏡建設浪潮的前浪。據嚴俊透露，中國12米光學紅外望遠鏡已初步通過專家評審，有望于“十三五”規劃期間立項。目前，我國最大的光學望遠鏡是位于云南麗江的2.4米光學望遠鏡，與國際上領先的西班牙10.4米光學望遠鏡、美國10米光學望遠鏡和日本8米光學望遠鏡等仍有較大差距。12米光學紅外望遠鏡建成后將為暗能量本質、引力波源光學認證和研究、太陽系外類地行星探測、超大質量黑洞、第一代恒星等前沿科學問題提供在國際上有競爭力的觀測平臺。有紅外望遠鏡，就有紫外望遠鏡和X射線望遠鏡，我國正計劃把望遠鏡家族的基地拓展到空間領域。

今年年底，我國將發射自主研制的硬X射線調制望遠鏡衛星，它可以進行寬波段大天區X射線巡天成像，具有獨特的觀測黑洞、中子星等高能天體多波段X射線快速光變的能力，并可以監視天空的高能爆發現象。“隨著我國空間站逐步具備維護在軌航天器功能，建造中國版‘哈勃太空望遠鏡的呼聲也越來越高。”嚴俊說，立體化作戰的望遠鏡集群，不僅將大幅提升我國在天文科學與技術方面的自主創新能力，還能廣泛應用于導航、定位、航天、深空探測等領域。

關鍵技術無先例可循、關鍵材料急需攻關、核心技術遭遇封鎖……從預研到建成的22年時間里，我國老中青三代科技工作者克服了不可想象的困難，實現了由跟蹤模仿到集成創新的跨越，也為更多人投身這項科學事業奠定了基礎，點燃了人類向往太空的激情。

“從孩子第一次抬頭看到星星的那一刻，天文學其實就在他們心里埋下了種子。”國家天文臺射電天文研究部首席科學家、“千人計劃”專家李菂說。他希望天文學課程將來可以走進課堂，激發孩子們觀察星空、探索宇宙的興趣。“天文學的發展，是全人類認識宇宙的智慧結晶。未來20年是射電天文乃至天文學的‘黃金時代，不斷增強的科技創新力，讓我們擁有向宇宙更深處探索、實現前沿科學領域突破的信心。” 中科院國家天文臺500米口徑球面射電望遠鏡工程副經理彭勃說。

仰望星空，向來是擁有著理想的人類對于真理的不懈追求的體現。黑格爾曾說過，“一個民族，有一群仰望星空的人，這個民族才有希望”。無數的中華兒女通過20載的不懈努力，FAST的建造開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式，具有獨立自主知識產權，被認為將在未來10至20年內保持世界一流地位。這是我國在天文學領域的巨大突破，更是中國科技一步步邁向世界領先地位的象征。

綜合國力的加強，正讓我國科學界不斷地收益；而國家也越來越愿意在許多新興科技領域上花費重金以謀求發展。endprint