宇宙探秘中國探空技術再創輝煌

本刊編輯部

中國著名科幻作家劉慈欣在他的長篇科幻小說《三體》中，描述了地球文明為抵抗三體文明的殖民，與其展開了長達數百年的激烈斗爭。在茫茫的宇宙中，地球人和三體人是如何發現對方的存在并交流信息的？這里面最關鍵的儀器就是射電天文望遠鏡。正是在位于大興安嶺紅岸基地雷達峰的大型射電望遠鏡的幫助下，人類第一次獲得了三體文明的信息，并對該信息進行了回復，這才導致后面—系列故事的發生。

天文學是人類社會最早發展起來的一門學科，天文學中非常重要的手段之一就是“觀星”——對于天體的觀測。起初，人們通過肉眼觀測可見天體，后來就借助光學望遠鏡觀測，但是在射電望遠鏡出現以前，天文學的研究對象只涉及可見宇宙，也就是那些能發出可見光的天體。而宇宙中的天體物質不僅能發出可見光，還能發出各種“不可見光”，也就是其他波段的電磁波和各種粒子射線?？梢姽庵粩y帶了宇宙中的一部分信息，其他部分的信息則隱藏在“不可見”的射頻電波里，射電天文學就是通過測量自然天體發出的射電信號來研究宇宙的奧秘。

2020年1月11日，被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電天文望遠鏡（FAST）通過國家驗收，正式開放運行，開啟了“睜眼看宇宙”的新征程。

為什么需要大口徑射電望遠鏡

射電望遠鏡的基本性能指標有兩個靈敏度和分辨率。

靈敏度指射電望遠鏡能“感受”到的最低能量值，靈敏度越高，能探測到的射電信號就越多，相應地，發現的射電源也就越多、越遠。

分辨率則是指能區分兩個鄰近的射電源的能力，分辨率越高，分辨本領就越大，就能將距離很近的兩個射電源區分開。

增大望遠鏡口徑是提高靈敏度和分辨率的主要途徑之一，另外也可以通過天線的形狀和材料來改變天線的工作波長，以此提高靈敏度和分辨率。

記錄來自遙遠天體的信號

從20世紀30年代射電天文學誕生到現在，科學家研制出了大小不同、形式多樣的射電望遠鏡。簡單來說，射電望遠鏡就是捕捉、收集來自天體的射電波的工具，它通過高增益的天線，配以高靈敏度的接收機和相應的后端設備，接收和記錄來自遙遠天體的射電波信號。

射電天文學觀測的天體常處在離我們幾十億甚至是百億光年以外的深遠宇宙空間，當這些射電信號穿過茫茫宇宙時空到達地球上（這些信號不僅來自遠方，而且來自上古時期），我們所能收集到的射電頻段天體輻射已經變得十分微弱。有人曾經估算過，從射電天文學發祥至今，所有的射電望遠鏡接收的天體輻射能量，連一頁書都翻不動，這是多么小的能量??！

就組成而言，射電望遠鏡可以分為單口徑射電望遠鏡和綜合孔徑射電望遠鏡。

單口徑射電望遠鏡與通信用的微波天線類似，通常分為3個主要部分，分別是反射面、接收機和指向裝置。反射面的形狀通常為拋物面，可以接收到遙遠天體發射的平行電磁波并反射匯聚于拋物面焦點處的接收機。指向裝置則根據天體位置實時轉動望遠鏡、調節指向，這是因為地球的自轉和公轉，天體相對于望遠鏡的位置會發生變化。

綜合孔徑射電望遠鏡則是由多個單口徑望遠鏡組成的天線陣，單口徑射電望遠鏡對反射面的要求比較高，而綜合孔徑射電望遠鏡利用多天線干涉重建發射源的信息，要求則低一些。

此外，根據射電望遠鏡的最短工作波長，又可以將射電望遠鏡劃分為厘米波射電望遠鏡、毫米波射電望遠鏡以及亞毫米波射電望遠鏡。而在同一口徑下，工作波長越短，分辨率就越高。

不同尋常的1994年

1994年是中國科技史上難忘的一年，正是在這一年，中國的科學家們做出一個重大的決定。讓我們把目光回溯到二十幾年前，看看到底發生了什么。

現代信息技術離不開電磁波的發射和接收，如果說電氣革命以后人們無法離開電，那么信息革命之后，人們就再也離不開電磁波了。衛星信號、電視廣播信號、手機信號等，都離不開電磁波的發射和接收。因此，人造電磁波信號越來越多。雖然人造電磁波信號給我們的生活帶來很多便利，但對于天文觀測來講，它們卻是“噪聲”的主要來源。在天文觀測中，電磁信號是主要的信號源（另外還包括各種粒子流、引力波信號等），通過分析不同天體發出的電磁波信號，可以獲得關于宇宙的信息，加深我們對宇宙的認識。而越來越多的人造電磁波信號會干擾我們對宇宙的“聆聽”，科學家們早已意識到這個問題的嚴重性。

1993年8月26日，第24屆國際無線電科學聯合大會在日本召開。在大會上，來自澳大利亞、加拿大、中國、法國、德國、印度、荷蘭、俄羅斯、英國、美國10個國家的射電天文學家提出了建造巨型射電望遠鏡的計劃，希望在電波環境被徹底毀壞前，多捕捉一些來自外太空的射電信號，回溯原初宇宙，解答天文學上的眾多難題。

由于巨型望遠鏡規模巨大，單一國家難以承擔，因此從一開始，這一計劃就被確定為一個國際合作項目。在會議之后，這些國家就開始了對計劃先導單元的預研究。

1994年，中國科學院北京天文臺（現在的中國科學院國家天文臺）開始主持相關工程概念的預研究，并聯合國內20多家大學和研究所，成立了射電“大望遠鏡”中國推進委員會和相關實驗室。從此，中國的科學家們精誠團結，開始了對大口徑射電望遠鏡的建設研究。

1995年年底，射電“大望遠鏡”中國推進委員會在借鑒美國阿雷西博球面射電望遠鏡的基礎上，創造性地提出了利用中國貴州喀斯特洼地建造大口徑射電望遠鏡的工程概念，500米口徑球面射電天文望遠鏡（FAST）工程由此而來。

漫長的選址過程

FAST工程從初期開始，就基本確定在貴州建設，這是因為貴州處于世界上三大連片的喀斯特發育區之一的東亞片區中心，是世界上分布面積最大、最集中連片的喀斯特區，也是世界上喀斯特發育最典型、類型最復雜、景觀類型最齊全的片區。

為什么選擇喀斯特地貌區域作為大口徑射電望遠鏡的臺址？這是為了能夠安放射電望遠鏡的巨大反射面。500米口徑的平面圓面積約為20萬平方米，要安放這么大的一個半球，不僅需要20萬平方米的占地面積，還需要至少200米的深度。而在喀斯特地貌區域，極有可能找到符合這樣條件的地點。

從1994年大口徑射電望遠鏡的貴州選址工作啟動，到2007年國家發改委原則同意將FAST項目列入國家高技術產業發展項目計劃、FAST項目正式立項為止，中國科學家做了長達13年的預研究和優化研究，在綜合考慮了自然地理、地貌發育控制因素、洼地的形態特征及資源環境等條件后，最終將FAST的臺址確定為貴州省平塘縣的大窩凼洼地。

大窩凼洼地是喀斯特地貌所獨有的一大片漏斗天坑群，就像一個天然的“巨碗”，正好可以將FAST的反射面盛放進去，大大減少了工程的土方量。而且這里屬于空洞溶巖地質，地下水可以通暢排泄，再加上良好的電磁環境以及低風速、冬季少雨雪、無重大自然災害記錄的自然條件，說這里是專為FAST而生的，一點也不為過。

“天眼”工程的中國創造

為實現FAST的建設目標，總共需要建設六大工程系統：臺址勘察與開挖系統、主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、饋源與接收機終端系統、觀測基地建設系統。

全新的設計思路，再加上得天獨厚的臺址優勢，使得FAST開創了建設巨型射電望遠鏡的新模式。從1994年開始策劃到2007年確定臺址，中間經歷13年;從2007年FAST項目列入國家高技術產業發展項目計劃到2011年工程開工，前期籌備過程經歷了4年的時間;從2011年3月25日開始施工建設到2016年9月25日FAST正式“開眼”，中間經歷了5年零6個月，工程的投資總計為6.67億人民幣，這期間的建設過程漫長而艱辛，卻又激動人心。這一工程的成功實現，不僅和中國科學家們的精誠合作密不可分，也離不開工程建設人員的日夜奮戰，更離不開決策者的高瞻遠矚和全國人民的大力支持。

作為我國擁有完全自主知識產權的巨型射電望遠鏡，FAST突破了多種關鍵技術，主動反射面的運用可以說是FAST的最大創舉。以往的射電望遠鏡雖然是固定式的反射面（如美國的阿雷西博射電望遠鏡），但其實對于觀測對象來講是不固定的，因為地球在不停地自轉和公轉，所以固定式反射面由于地球自轉的作用，并不能把信號匯聚在一個焦點上，而是匯聚在一條焦線上，這會給觀測帶來非常大的限制。而FAST通過主動反射面技術，能將觀測天頂角擴大到40°范圍的天區。

另外，光機電一體化的饋源支撐系統也是一大創新。在500米巨大的空間尺度上，處于焦點處的接收機與反射面之間不可能使用剛性連接，假設采用阿雷西博射電望遠鏡的指向跟蹤平臺方案，平臺重量會超過萬噸，根本沒有可行性。因此，中國的科學家們發展了光機電一體化的索拖動技術，使用6根鋼索將接收機的饋源艙拖到焦點處，并附加一個精調機器人抵消鋼索的震動，在索驅動和并聯機器人二次精密調控的結合下，實現接收機空間定位，最終實現高精度的指向跟蹤。

FAST的研制成功，為我國射電天文學、深空探測通信以及相關基礎領域的發展提供了更多的突破性機遇，使我國一躍成為射電天文的強國。

FAST的科學目標

作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡，FAST將在未來20-30年內保持世界一流設備的地位;作為一個多學科基礎研究平臺，FAST將為宇宙大尺度物理學、物質深層次結構和規律等眾多基礎研究領域提供發展和突破基礎，也將

數字解讀FAST

接下來，我們通過一些具體的數字，更加直觀地了解FAST這個“觀天巨眼”。

FAST的口徑達到500米，是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡，從頂部圓心到底部圓心的垂直距離為138米，相當于50多層樓高。

整個鋼結構圈梁長度為1600米，消耗鋼材5600噸，總工程量相當于1/4個鳥巢。

反射面索網結構由近9000根高精度、高強度鋼索連接而成，在半空中形成一張重達1600噸的鋼質索網。

反射面由4450塊邊長達10-12米的三角形主動反射單元拼裝形成，球形反射面的面積相當于30個足球場大小。

在山崖上修建了6座饋源支撐塔，最高達168米，通過鋼索懸吊的方式，支撐控制重達30噸的饋源艙。

FAST的探測靈敏度要比此前世界最先進的美國阿雷西博射電望遠鏡高近2.5倍，將人類的視野拓展得更深、更遠。在日地環境研究、國防建設、國家安全等方面發揮不可替代的作用。

雖然科學上的發現是不可計劃和難以預測的，但是在可預見的領域內，FAST將在很多方面實現科學和技術上的重大突破——

巡視宇宙中的中性氫。氫是宇宙中最簡單同時也是最豐富的元素，對中性氫的觀測，將有望在暗物質暗能量、星系形成與演化等方面取得進展。

觀測脈沖星。脈沖星的發現可以說是20世紀后半葉最偉大的天文發現之一。脈沖星是一種高速旋轉并具有極高密度的極端星體，有著規律變化的脈沖信號，周期從1毫秒多到數秒不等。根據計算機仿真，FAST使用多波束饋源做1小時積分時間的巡視，能用一年時間發現4000余顆未知的脈沖星。

探索星際分子。利用FAST的高靈敏度，可以搜尋銀河系中的長鏈碳分子。如果找到的話，將會對生命起源的研究產生重大影響。

搜索星際通信信號。根據我們的生產生活經驗，智慧生命的基本特征之一就是能夠發射通信信號。在月球旅行和火星旅行即將實現的時代，在不斷發現大量系外行星以及類地行星的時代，尋找地外文明已經變得比以往任何時候都更加迫切。FAST將用前所未有的高效率搜尋、識別可能的地外通信信號，實現對地外文明的搜索。

當之無愧的國之重器

2016年9月25日，FAST正式落成并啟用。

根據國際慣例和大型地面設備的使用規律，大型望遠鏡竣工之后要經過2-3年的時間才能正式運行，而這2-3年的時間，是大型望遠鏡調試階段，這是科學家們嚴謹工作作風的體現。FAST也遵循這樣的慣例，調試結束之后才能通過國家驗收，實現面向國內外學者開放。在調試階段，中國科學院國家天文臺牽頭國內多家單位，在FAST科學和工程團隊的密切協作之下，實現了指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行。

FAST正式“開眼”一周年后，2017年的10月10日，在中國科學院國家天文臺舉行了首批成果發布會。在發布會上，研究人員公布了首批認證的兩顆脈沖星：一顆編號J1859-0131，自轉周期為1.83秒，據估算距離地球1.6萬光年;一顆編號J1931-01，自轉周期0.59秒，據估算距離地球約4100光年。兩顆脈沖星分別由FAST于2017年8月22日、25日通過漂移掃描發現。其實，當時FAST已探測到了數十個優質脈沖星候選體，但候選體并不能作為最終的結果。為了確保結果的可靠性，經國際合作，例如利用澳大利亞64米帕克斯射電望遠鏡進行觀測，最終認證了上述兩顆。澳大利亞帕克斯射電望遠鏡科學主管喬治-霍布斯評價說，“這是國際天文學界最令人激動的事件之一”。

2018年4月18日，FAST首次發現的毫秒脈沖星也得到國際認證，這是FAST繼發現脈沖星后的另一個重大成果。首次發現的脈沖星的自轉周期均為秒級別，而這次發現的脈沖星的自轉周期在毫秒級別！這顆脈沖星被命名為J0318+0253，自轉周期為5.19毫秒。根據估算，它距離地球約4000光年，是至今發現的射電流量最弱的高能毫秒脈沖星之一。國際大型射電天文臺曾對其進行過多次搜索，例如美國阿雷西博射電望遠鏡就在2013年6月開展了3次定點觀測，都未探測到它。毫秒級脈沖星的發現，展示了FAST在科研方面的重大潛力。

科技是國之利器，大科學裝置無疑是利器的鋒刃，是當之無愧的國之重器。20多年鑄就而成的“中國天眼”，值得信賴，更值得期待！

（責任編輯：張潔白玉磊責任校對：趙夢祺）