坐地遙尋探九天　“中國天眼”顯“神威”

飛翔的雄鷹可以在空中看到千米之外地面上的兔子．而我們?nèi)祟愔粦{肉眼很難看到同樣遠(yuǎn)的兔子，原因之一是鷹眼瞳孔占眼球比例相對人眼更大，這樣鷹眼就可以在同樣的條件下分辨更小的物體，夜晚的天空有很多遙遠(yuǎn)的星星，我們要想像鷹眼一樣分辨出它們，簡單來說就需要更大更靈活的“瞳孔”，在貴州，就有這樣一座可以幫我們坐地遙尋探九天的“中國天眼”——500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，簡稱FAST.

“中國天眼”的原理

我們?nèi)祟惸苤苯佑萌庋劭吹降墓庵皇怯钪嬷斜姸嘈盘柕囊恍〔糠?，宇宙中很多信號是以我們?nèi)庋劭床坏降臒o線電波的形式存在的，在我們賴以生存的大氣層上有兩個可以觀察宇宙的“窗口”：一個是我們千百年來一直使用的可見光“窗口”，另一個是20世紀(jì)30年代才被人類認(rèn)識的無線電波“窗口”．想要從無線電波“窗口”看出去，需要我們利用所掌握的物理知識去拓展我們的“視野”，科學(xué)家們研制的射電望遠(yuǎn)鏡便是這樣一種可以看到宇宙中無線電波的特殊“天眼”，因?yàn)橛钪嬷械男行?、恒星和星云這些發(fā)出無線電波的天體都距離我們非常遙遠(yuǎn)，來自它們的無線電波就會非常微弱．所以射電望遠(yuǎn)鏡需要非常大的“瞳孔”和極其靈敏的接收端，來收到足夠多的無線電波．

我們知道，光從一種介質(zhì)到達(dá)另一種介質(zhì)的界面時．一部分光返回原來介質(zhì)中，光的傳播方向發(fā)生了改變，這種現(xiàn)象稱為光的反射，而光的反射遵循光的反射定律，即反射光線、入射光線和法線在同一平面內(nèi)；反射光線和入射光線分別位于法線兩側(cè)；反射角等于入射角，在多種多樣的反射面里，有一種可以對光線有會聚作用的反射面叫作凹面鏡（圖1）．

平行光在凹面鏡的反射下可會聚到凹面鏡焦點(diǎn)的位置，利用這一規(guī)律人們制作出多種元件，例如激光聚焦元件、一些照明系統(tǒng)中的反射元件等，宇宙中的電磁波本質(zhì)上和我們看見的可見光一樣，如果我們將凹面鏡做成射電望遠(yuǎn)鏡的反射面，且進(jìn)一步增大反射面的面積，會聚更多的信號，同時在焦點(diǎn)布置一臺功能強(qiáng)大的信號接收機(jī)，那么是不是可以分辨更遙遠(yuǎn)、更幽暗的天體發(fā)出的信號了？答案是肯定的．

“中國天眼”的建造及作用

雖然射電望遠(yuǎn)鏡的基本物理原理比較簡單，可實(shí)現(xiàn)起來并不容易.1994年，南仁東教授就開始牽頭為“中國天眼”解決關(guān)鍵問題，要想建一個大面積的反射面。需要找到合適的地質(zhì)條件，且要遠(yuǎn)離城市的干擾，南仁東教授團(tuán)隊(duì)用12年時間從全國8000多個可選地點(diǎn)中選定了最優(yōu)的地質(zhì)條件。使得“中國天眼”的反射面可以建得足夠大，在解決了面積問題之后，隨之而來的難題是如何使反射面能實(shí)時對準(zhǔn)運(yùn)動著的觀測對象．如此大的“體格”讓“中國天眼”在運(yùn)動上欠缺了一定的靈活性．由于世界上沒有先例，故需要從零開始設(shè)計．設(shè)計上，“中國天眼”獨(dú)創(chuàng)了索網(wǎng)，由6 670根鋼索編制而成，在索網(wǎng)上布置了4 450塊反射面單元，組成一整個大反射面，索網(wǎng)就像靈活的“肌肉群”一樣，通過索網(wǎng)的形狀變化，使“中國天眼”的“瞳孔”可以多自由度地改變角度和位置，靈活地收集、跟蹤宇宙中的信號．

“中國天眼”的反射面有30個足球場那么大．巨大的面積使其能一眼“看穿”137億光年，經(jīng)過我國科研團(tuán)隊(duì)不懈的努力，“中國天眼”于2020年在貴州平塘縣正式投入使用，在使用的過程中，維護(hù)成了一個棘手的問題，受到裝置巨大、作業(yè)風(fēng)險高、氣候極端等因素影響，人工維護(hù)效率難以提高，稍有不慎，還可能造成破壞，為了解決維護(hù)工作與科學(xué)觀測之間的矛盾，中國科學(xué)院國家天文臺、哈爾濱工業(yè)大學(xué)牽頭成功研發(fā)了“FAST運(yùn)行維護(hù)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了全自動化維護(hù)．此外，“中國天眼”的反射面上還密布著無數(shù)的孔洞，這些孔洞既可以減輕大風(fēng)對整個裝置的影響．也可以提高透光率，讓裝置下面的草木能夠繼續(xù)生長，避免水土流失．

2021年，“中國天眼”正式向全球天文學(xué)家征集觀測申請，這一年，“中國天眼”觀測時長遠(yuǎn)超預(yù)期，超5 300 h．“中國天眼”一共發(fā)現(xiàn)約900顆脈沖星，是國際上同時期其他射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的3倍以上，同時，“中國天眼”也在星際磁場測量中取得了重大進(jìn)展．“中國天眼”運(yùn)行與發(fā)展中心首席科學(xué)家、第十七屆馬塞爾，格羅斯曼獎獲得者李藥評價這個進(jìn)展：“這個工作突出的地方在于發(fā)展了一個新的觀測手段，為系統(tǒng)性測量分子云和中間的磁場打開了局面，‘中國天眼’洞見了宛若游龍的星際磁場，浸潤于協(xié)睦磁場波紋中的分子云必將誕生新的恒星，而宇宙中的一切誕生都有微弱的回響，‘中國天眼，能夠非常好地捕獲這樣的回響，”在可預(yù)見的未來，“中國天眼”將在快速射電暴起源與物理機(jī)制、中性氫宇宙研究、脈沖星搜尋與物理研究、脈沖星測時與低頻引力波探測等多個重要方向貢獻(xiàn)出更多重大的科學(xué)成果，“中國天眼”正在幫助全人類仰望星空．

最后分享給大家一個好消息，目前“中國天眼”正在籌劃每年對我國的青少年開放50 h．征集大家的好想法，希望能在青少年的心中種下科學(xué)的種子，支撐起未來遠(yuǎn)征星辰大海的夢想．

[小縮有話說]

以上文章中提到了“電磁波”的概念，這是同學(xué)們九年級會學(xué)到的一個重要內(nèi)容．我們生活中常聽到的X射線、紅外線、無線電波等，都和可見光一樣，屬于電磁波大家族．所有電磁波在真空中傳播的速度都是一樣的，約為3.0×108m/s.

同學(xué)們可能會產(chǎn)生疑問，光怎么會是波呢？我們在學(xué)習(xí)“聲現(xiàn)象”的時候，已經(jīng)將聲波與水波進(jìn)行了類比，從而形象地認(rèn)識了聲波．既然科學(xué)家們將光稱作一種波，是不是意味著光也具有水波、聲波那樣的性質(zhì)？答案是肯定的，這可實(shí)在是顛覆我們的直覺了！

在高中階段的物理學(xué)習(xí)中，同學(xué)們會學(xué)習(xí)到關(guān)于光的本質(zhì)的問題．到時候同學(xué)們可以看到，歷史上的科學(xué)家們是如何利用巧妙的實(shí)驗(yàn)觀察到光具有波的性質(zhì)的．

事實(shí)上，科學(xué)家們關(guān)于光的本質(zhì)的探索持續(xù)了幾百年，促使人類對世界的認(rèn)識不斷更新，在20世紀(jì)，物理學(xué)開始邁入量子新紀(jì)元．