裝下宇宙之大

李玉鵬

北京時間2021年3月31日零點，中國“天眼”正式面向全世界開放，接受全球科學(xué)家的觀測申請。

中國“天眼”又稱FAST，是一臺500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope，簡寫為FAST），坐落于貴州省黔南州的喀斯特巨型洼坑中，是目前全球單口徑最大、靈敏度最高、綜合性能最強的射電望遠鏡。

望遠鏡是人類探索宇宙必不可少的工具，相比觀測可見光頻段的光學(xué)望遠鏡，射電望遠鏡能觀測到宇宙中各種天體發(fā)出的射電波。它的出現(xiàn)拓展了人類對宇宙的認知，對類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子以及脈沖星的發(fā)現(xiàn)，射電望遠鏡功不可沒。

此前，美國的阿雷西博望遠鏡曾是世界最大的射電望遠鏡，它位于波多黎各島，口徑為305米。然而，伴隨著2次意外事故的發(fā)生，其最終于2020年12月初坍塌報廢。

阿雷西博射電望遠鏡屬于“固定機位”觀測，主體無法轉(zhuǎn)動，只能通過改變饋源位置來掃描某個特定區(qū)域;而且其反射面是一個球面，反射的無線電波信號是平行的，因此得用超大饋源裝置才能將這些信號全部接收。為提高接收效率，阿雷西博望遠鏡后來改進成了改正鏡的方式。

相比來看，F(xiàn)AST 不但更大而且更加“靈活”，它能利用自身眾多的反射面形成瞬時拋物面，進而通過小型饋源裝置獲取來自天空不同區(qū)域的信號，更利于追蹤移動天體。據(jù)悉，F(xiàn)AST的綜合性能是阿雷西博射電望遠鏡的10倍以上，可接收到137億光年以外的電磁信號，最遠觀測范圍可達目前已知宇宙的邊緣，并且FAST 在未來10～20年，都將處于國際領(lǐng)先地位。

三大自主技術(shù)創(chuàng)新，F(xiàn)AST 問鼎世界射電望遠鏡之最

FAST 由主動反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、接收機與終端、測量與控制系統(tǒng)以及觀測基地等部分構(gòu)成，反射面總面積達25萬平方米，相當于30個標準足球場大小。

FAST 之所以能穩(wěn)坐全球射電望遠鏡“頭把交椅”，主要歸功于其搭載的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。對此，國家天文臺青年研究員、現(xiàn)任FAST 運行和發(fā)展中心機械組組長姚蕊介紹，中國FAST 擁有三大技術(shù)自主創(chuàng)新：

第一，貴州省黔南州的喀斯特巨型洼坑地形具有天然球形特征，利用洼坑作為臺址減少了大量的建設(shè)工程;當?shù)亓己玫碾姶怒h(huán)境更是射電望遠鏡的“好家園”。

第二，自主研發(fā)主動變形反射面技術(shù)，將球面變成拋物面進行信號匯聚。

第三，自主研發(fā)輕型索拖動饋源平臺和并聯(lián)機器人，實現(xiàn)接收機的高精度指向跟蹤。

FAST建設(shè)之初對標的正是美國阿雷西博射電望遠鏡。阿雷西博采用固定球面設(shè)計，如果按照這一設(shè)計思路，F(xiàn)AST 整個框架和饋源艙的質(zhì)量將超過萬噸，顯然無法實現(xiàn)。

“FAST建設(shè)團隊將目光投向了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性地將球面實時變成拋物面，把電磁波匯聚到一個焦點。團隊經(jīng)過研究測算發(fā)現(xiàn)，如果選擇合適的焦比，就可以在300米口徑范圍內(nèi)讓球面變成拋物面，而索網(wǎng)形變最大偏移距離不足1米。”

FAST的主動變形反射面系統(tǒng)由圈梁、索網(wǎng)、反射面單元和促動器裝置構(gòu)成。FAST 使用上萬根鋼索編織成索網(wǎng)懸掛于圈梁，類似于把1個巨大的網(wǎng)兜掛在直徑500米的圈梁上。索網(wǎng)上安置有4450個反射面單元，索網(wǎng)的2000多個結(jié)點下面連接下拉索和促動器，促動器向下拉動索網(wǎng)，整個反射面單元會隨之一起發(fā)生形變，在觀測方向形成一個拋物面，最終將電磁波匯聚到焦點。

得益于上述創(chuàng)新設(shè)計，F(xiàn)AST能在任意300米范圍內(nèi)形成一個高精度拋物面來匯聚射電波。總的來說，F(xiàn)AST 開創(chuàng)了巨型射電望遠鏡的建造模式，突破了傳統(tǒng)全可動射電望遠鏡口徑百米工程的極限。

同時，F(xiàn)AST超大的工程規(guī)模、嚴苛的精度要求以及獨特的運行方式，也給研究團隊帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

首當其沖的便是鋼索材料問題。“FAST索網(wǎng)的抗疲勞性能要超過200萬次，還得承受大尺度彈性形變以及500兆帕的超高應(yīng)力幅，這個要求甚至超過了國內(nèi)、國際相關(guān)標準的2.5倍。當時，國內(nèi)沒有這種鋼索，于是FAST 聯(lián)合科研單位和相關(guān)企業(yè)共同攻關(guān)，最終研發(fā)成功。后來，這種鋼索還被用于港珠澳大橋的建設(shè)中。”姚蕊說到。

兩級并聯(lián)機構(gòu)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)饋源毫米級精度控制

在FAST接收面由球面變成拋物面之后，信號匯聚難題迎刃而解。

接下來便是如何精準移動饋源艙進行信號收集。據(jù)悉，只有將饋源精確地定位在拋物面焦點，才能最高效率地捕獲信號。

“FAST采用輕型饋源支撐系統(tǒng)，使用6根長達600米的鋼絲繩形成跨度達600米的索并聯(lián)機器人，牽引中間30噸重的饋源艙，在140米的高空、207米范圍內(nèi)的球冠面上實時運動并接收無線電波。饋源艙里裝有剛性并聯(lián)機器人，索并聯(lián)機器人和剛性并聯(lián)機器人協(xié)同進行饋源定位，能夠?qū)崿F(xiàn)饋源10毫米的動態(tài)精度控制。”姚蕊表示。

據(jù)了解，F(xiàn)AST饋源支撐系統(tǒng)所使用的這種大跨度下并聯(lián)機器人的研究，在當時還是一片空白，包括研究方法、設(shè)計方法以及控制技術(shù)等都需進行攻關(guān)。

對此，姚蕊說：“FAST聯(lián)合很多高校團隊進行研發(fā)，做了很多理論研究，最終經(jīng)過一系列大量模型試驗才完成了技術(shù)攻關(guān)。索并聯(lián)機器人在FAST研發(fā)和成功應(yīng)用中得到了更廣泛的關(guān)注，目前已大量應(yīng)用于航空航天、船舶、倉儲等眾多領(lǐng)域。”

至此，信號的匯聚、收集工作已經(jīng)大功告成，最后就是信號的傳輸問題。

FAST使用的通信光纜需要同時滿足80多個通道進行信號傳輸;同時，光纜還需要隨鋼絲繩進行長度變化，這就要求光纜的數(shù)據(jù)帶寬足夠大，質(zhì)量還要足夠輕，這對光纜彎折次數(shù)和疲勞特性等也提出了嚴苛要求。

談及該難題的攻克，姚蕊說：“FAST采用的動光纜技術(shù)，也是FAST聯(lián)合國內(nèi)企業(yè)技術(shù)攻關(guān)，才最終成功開發(fā)出兼具質(zhì)量輕、帶寬大、耐用的48芯動態(tài)光纜。”

另據(jù)悉，F(xiàn)AST還采用全天候多手段測量技術(shù)，包括GPS測量、TPS（全站儀定位系統(tǒng)）測量和IMU（慣性測量單元）測量等。通過不同測量手段的優(yōu)勢互補、先進自主技術(shù)的加持，以及實時保證饋源的精準定位，F(xiàn)AST最終實現(xiàn)了毫米級別的動態(tài)精度控制。

而且，F(xiàn)AST不受天氣因素影響，可實現(xiàn)全天候的天文觀測，除了日常維護和測試需求外，每天均有22～23小時可實現(xiàn)觀測，這也促成了更多科學(xué)成果的產(chǎn)出。

借助FAST，中國天文界收獲很多突破性成果

導(dǎo)航給人們的生活帶來諸多便利，那么航天器在太空中如何實現(xiàn)導(dǎo)航呢？有一種方法是借助脈沖星。航天器飛出地球大氣層后，可通過脈沖星進行定位和導(dǎo)航。

脈沖星是一種自旋非常快的超高密度天體，其輻射來自自身強大磁場的極冠區(qū)。當脈沖星輻射信號在極冠轉(zhuǎn)到地球視線方向的時候，射電望遠鏡就可以捕捉到脈沖信號。“脈沖星好比一個時鐘，若能發(fā)現(xiàn)信號比較穩(wěn)定的脈沖星，就等于為宇宙探測提供了一個很好的基準。”姚蕊指出。

因此，脈沖星成為射電望遠鏡重要的科學(xué)目標之一，在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，對航天事業(yè)也具有重大意義。自1967年發(fā)現(xiàn)第1顆脈沖星至今，人類一共發(fā)現(xiàn)了2700多顆脈沖星。

而FAST從2016年9月落成啟用，到2020年1月通過國家驗收，含設(shè)備調(diào)試時間在內(nèi)的4年間里，便發(fā)現(xiàn)了300余顆脈沖星，為中國乃至全球天文科技發(fā)展貢獻了重要力量。

“FAST最重要的應(yīng)用之一就是發(fā)現(xiàn)脈沖星，當然還包括毫秒脈沖星。當發(fā)現(xiàn)了足夠多的優(yōu)質(zhì)脈沖星，就可以做成一個計時陣，為今后引力波探測、星際導(dǎo)航等提供幫助。”姚蕊介紹。

毫秒脈沖星，顧名思義，它在幾毫秒內(nèi)便可自轉(zhuǎn)1周，而地球需要24小時才能自轉(zhuǎn)1周。憑借超高靈敏度，F(xiàn)AST可觀測到毫秒脈沖星，這極大提升了人類對脈沖星的觀測能力，更讓傳統(tǒng)射電望遠鏡難以企及。

當然，觀測脈沖星并不是FAST 的唯一用途。2020年11月，《自然》雜志一連刊登3篇快速射電暴的相關(guān)論文，其中一篇正是中國團隊借助FAST完成的。該研究首次為快速射電暴與磁星之間的關(guān)系提供了線索。

借助FAST，研究人員可以探測暗物質(zhì)、測算黑洞質(zhì)量、探尋外星文明，還可以觀測早期星系的活動跡象，探索宇宙的起源和奧秘，甚至還能發(fā)現(xiàn)未來適合人類居住的星球等等。

此外，F(xiàn)AST在射電瞬變源方面也有很大潛力，有望在短時間內(nèi)實現(xiàn)納赫茲的引力波探測，捕捉到宇宙大爆炸時期的原初引力波，為研究宇宙大爆炸原初時刻的物理過程提供數(shù)據(jù)支撐。

不得不說，一系列技能加持，讓FAST在全球射電望遠鏡行列一騎絕塵。那么，既然VLBI甚長基線干涉測量技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry，簡寫為VLBI）實現(xiàn)了地球直徑級別口徑，建設(shè)FAST的意義何在？

憑借靈敏度優(yōu)勢，F(xiàn)AST有望主導(dǎo)國際VLBI合作

前面一直提及FAST靈敏度很高，但靈敏度并不是衡量射電望遠鏡的唯一標準。

“靈敏度和分辨率是衡量射電望遠鏡最重要的兩個指標。靈敏度高可以理解為望遠鏡‘看得更遠，分辨率高可以理解為望遠鏡‘看得更清晰。”姚蕊指出。射電望遠鏡口徑越大，靈敏度就越高，能夠接收到的射電波也就越多。

雖然單個射電望遠鏡的分辨率不高，但可以“聯(lián)機”運行，也就是使用兩臺位于不同地點的望遠鏡接收來自同一天體的電波信號，然后將2束電波進行干涉，其等效分辨率相當于一臺口徑為兩地距離的單口徑射電望遠鏡，這便VLBI。

目前，科學(xué)家已利用該技術(shù)實現(xiàn)了“等效口徑相當于地球直徑量級”的射電望遠鏡。

可能有人會問，既然已經(jīng)擁有口徑相當于“地球直徑級別”的射電望遠鏡，那么建造口徑僅為500米的FAST用途何在？

對此，姚蕊指出：“VLBI技術(shù)的目的是把望遠鏡分辨率做得很高，但若想提高靈敏度，只能增加單個望遠鏡的口徑。FAST的優(yōu)勢在于靈敏度高，可以探測到更弱的射電信號源。目前，提高射電望遠鏡靈敏度的唯一方法，就是增加收集信號接收面的面積，即增加口徑。”

換言之，VLBI技術(shù)能做的，只是提高射電望遠鏡的分辨率，但如果兩臺望遠鏡的靈敏度都不高，根本探測不到微弱信號，那么等效口徑再大也沒有實質(zhì)意義。

值得一提的是，得益于超高靈敏度優(yōu)勢和地域優(yōu)勢，F(xiàn)AST將有望成為VLBI的“網(wǎng)主”，在國際VLBI 合作領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用。

科技無國界，F(xiàn)AST向全世界開放

天文學(xué)是一門重度依賴觀測設(shè)備的學(xué)科。長期以來，由于沒有大型射電望遠鏡，中國天文學(xué)家很難拿到一手資料。如今，F(xiàn)AST的誕生，徹底扭轉(zhuǎn)了這一局面，中國的科學(xué)家有了更多主導(dǎo)權(quán)。

FAST最早由中國天文學(xué)家南仁東教授于1994年提出構(gòu)想，中國科學(xué)院國家天文臺主導(dǎo)設(shè)計建造，歷時22年建成。從預(yù)制到完成，這20余年凝聚了眾多科學(xué)家的心血與付出。

談到南仁東教授，姚蕊說：“南老師除了在技術(shù)層面起到領(lǐng)導(dǎo)作用，他更是我們的精神指引。FAST從提出到建設(shè)再到落成，其間有太多的艱難險阻，南老師就像一座燈塔，照亮大家前行的路。他勇于探索、永不言棄的科學(xué)精神始終激勵著大家沿著這條路堅定不移地走下去。”

對于建設(shè)FAST的意義，姚蕊表示：“FAST將對國內(nèi)天文、物理等眾多領(lǐng)域的發(fā)展起到巨大的促進和推動作用。中國科學(xué)家可使用FAST觀測的時間更長，因此可以做更多、更廣泛的科研探索，可以開放更多科學(xué)目標觀測，還有可能開辟全新的科學(xué)領(lǐng)域。在建設(shè)期，F(xiàn)AST就帶動了相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展，如今進入運行期，伴隨FAST后續(xù)升級，還將進一步促進相關(guān)技術(shù)和理論研究的發(fā)展進步。”

自從2020年阿雷西博射電望遠鏡坍塌后，全球天文學(xué)家的注意力都聚焦在FAST上。中國科學(xué)院院士、FAST科學(xué)委員會主任武向平也曾公開表示：“FAST將在2021年面向全球開放，全世界的科學(xué)家都可以使用這臺世界上最大的射電望遠鏡，一起為探索宇宙的奧秘、推動人類文明的進步做貢獻，構(gòu)建人類命運共同體。”

對于中國做出的這一承諾，外媒報道稱：“中國FAST面向全球開放可以說是拯救了全世界的天文學(xué)家！”

對此，姚蕊認為：“作為國之重器，F(xiàn)AST一方面為我們國家的天文事業(yè)做貢獻，另一方面，我們也希望向全世界展示中國從天文學(xué)領(lǐng)域到技術(shù)領(lǐng)域的出色能力，讓更多的科學(xué)家利用FAST得到更多、更好的科研產(chǎn)出。探索宇宙是全人類共同的目標，F(xiàn)AST 的開放必將促成更多國內(nèi)外技術(shù)合作，進一步提升全人類對宇宙的探索能力。”