FAST望遠(yuǎn)鏡主體完工：貴州群山中的“觀天巨眼”睜開

FAST真名叫“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope， FAST)”，是目前世界第一大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，今日完成安裝的主動反射面是FAST望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分，共有4450塊的反射面板單元，總重量超過2000噸，反射面總面積約25萬平方米，相當(dāng)于近30個足球場，其工程量之大由此可見，是我國目前最大的天文工程。

FASTast望遠(yuǎn)鏡建成后將超過全球現(xiàn)役最大球面射電望遠(yuǎn)鏡——300米口徑的阿雷西博(Arecibo)，成為世界上最大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，與號稱“地面最大的機(jī)器”的德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比，靈敏度提高約10倍；與排在阿波羅登月之前、被評為人類20世紀(jì)十大工程之首的美國阿雷西博，其綜合性能提高約10倍，將在未來20～30年保持世界一流設(shè)備的地位。

FAST投入使用后，除了巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學(xué)，以探索宇宙起源和演化，還將觀測脈沖星，研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律；甚至可以搜索星際通訊信號，開展對地外文明的探索。

1994年就開始的選址工作

1994年4月，F(xiàn)AST項(xiàng)目啟動貴州選址工作，開始了為期13年的預(yù)研究；直到2007年7月10日， FAST項(xiàng)目正式立項(xiàng)。

大窩凼‘快鳥’照片

原來的大窩凼住著12戶人家 后來整體搬遷

原本無比靜謐的貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼洼地，是專家們先根據(jù)衛(wèi)星遙感影像，對400多個備選洼地從形態(tài)特征、水文、地質(zhì)、氣象及電波環(huán)境等諸多方面進(jìn)行初評，然后又通過計(jì)算機(jī)模擬工程填挖量，從中選出30多個實(shí)地考察，最后才選中了不大不小，深度合適，形狀很圓，適于施工建設(shè)的“大窩凼”。 這個天然洼地附近5公里半徑之內(nèi)沒有一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25公里半徑之內(nèi)只有一個縣城，無線電環(huán)境“相當(dāng)理想”，加上貴州南部喀斯特峰叢洼地的特殊地貌，天坑底部多有暗河和落水洞，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡的底部在暗河基礎(chǔ)上又修了一公里的引水渠，可以保障雨水向下滲透，不會腐蝕到望遠(yuǎn)鏡。

利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址是FAST工程的三項(xiàng)自主創(chuàng)新之一，但這樣有著天然優(yōu)勢的地貌也給項(xiàng)目建設(shè)施工帶來了很大困難，在70度以上的峭壁上鋪設(shè)線路，必須用人力開挖，電纜和巨型設(shè)備也只能靠人力搬運(yùn)，在天坑中建筑空間騰挪不開，為此施工人員用人工把幾十座鋼梁和幾十段框架，一點(diǎn)點(diǎn)搬運(yùn)到恰當(dāng)?shù)奈恢谩?p style="line-height:30px;text-indent:2em;text-align:left">能動的“天眼”

FAST的天線鍋反射面口徑500米，基準(zhǔn)狀態(tài)下呈現(xiàn)半徑300米的球面，反射面下有精巧的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)作為主要支撐結(jié)構(gòu)，這些索網(wǎng)就是反射面“變形”的關(guān)鍵點(diǎn)，F(xiàn)AST索網(wǎng)是世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是世界上第一個采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。

反射面索網(wǎng)安裝在格構(gòu)式環(huán)形圈梁上，它有2402250個連接節(jié)點(diǎn)，在索網(wǎng)上安裝464500個反射面單元，節(jié)點(diǎn)下方小電機(jī)控制著6670根主索組成的網(wǎng)，形成了完整的主動反射面系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時控制下形成300米口徑瞬時拋物面的功能。FAST的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)隨著天體的移動自動變化，把無線電波光聚集到焦點(diǎn)處接收，整個變形過程由激光定位系統(tǒng)校準(zhǔn)。

別小看這看似簡單的“變形”，它可以讓FASTfast實(shí)現(xiàn)天頂角 40°的天空觀測天區(qū)，相對全球現(xiàn)役最大球面射電望遠(yuǎn)鏡-300米口徑的阿雷西博(Arecibo)，它的球面不能動只能在20°天頂角的工作極限，限制了觀測天區(qū)，特別是限制聯(lián)網(wǎng)觀測能力。“天眼”正是通過這個天線鍋傾聽來自宇宙的聲音，巨大的天線鍋，將微弱的宇宙電波收集起來，再將收集到的信號匯聚到具有極高靈敏性的接收系統(tǒng)上，還原、轉(zhuǎn)化、分析。

天眼的瞳孔：核心部件饋源艙

FAST在接收來自宇宙的電波方面的出色能力不僅依靠會動的巨大的反射面，還有個靈敏的核心部件——饋源艙。

“天眼”的上空，六條400多米的鋼索吊起一個30噸重類似飛碟的饋源艙，內(nèi)設(shè)精密的接收器接收天線鍋反射的信號，饋源艙內(nèi)安裝Stewart平臺(精調(diào)并聯(lián)機(jī)器人)，輔助調(diào)整饋源艙的姿態(tài)角，正式投入使用之后，饋源艙會隨著探測的需要沿球面中心軸做上下運(yùn)動。移動范圍達(dá)200米。

饋源就是天線，用來接收來自宇宙的無線電波，如果把FAST比作一個天眼，那么饋源艙就相當(dāng)于是瞳孔，起到一個聚焦的作用。在移動過程中，每一部分的位移都要控制在毫米級，“天眼”才能正常工作。它的定位精度直接決定著整個FAST望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)收集到的無線電波的多少。

FAST 我們到底為什么要建

半個多世紀(jì)過去了，所有射電望遠(yuǎn)鏡收集到的能量還不夠翻動一頁紙。通過這只“天眼”，人類究竟能發(fā)現(xiàn)什么？

FAST的工程科學(xué)目標(biāo)非常明確

1) 巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學(xué)，以探索宇宙起源和演化；

2) 觀測脈沖星，研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律；

3) 主導(dǎo)國際低頻甚長基線干涉測量網(wǎng)，獲得天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)；

4) 探測星際分子；

5) 搜索可能的星際通訊信號

中國科學(xué)院國家天文臺FAST工程首席科學(xué)家、總工程師南仁東這樣描述存在于宇宙深處的各種訊息：“宇宙空間混雜各種輻射，遙遠(yuǎn)的信號像雷聲中的蟬鳴，沒有超級靈敏的耳朵，根本就分辨不出來。”而“天眼”恰恰具備這樣的非凡本領(lǐng)，哪怕是遠(yuǎn)在百億光年外的射電信號，它也有可能捕捉到。

首先，F(xiàn)AST能夠發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星。脈沖星是大質(zhì)量恒星演化的最終產(chǎn)物，是中子星的一種。中子星具有和太陽相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，但半徑只有 10-20千米，為會周期性發(fā)射脈沖信號的星體，直徑大多為20千米左右，自轉(zhuǎn)極快(自轉(zhuǎn)周期是幾秒甚至幾個毫秒)，是宇宙中旋轉(zhuǎn)冠軍。目前我們觀測到的約2000顆脈沖星均在銀河系內(nèi)，F(xiàn)AST將對準(zhǔn)銀河系外去發(fā)現(xiàn)更多奇特的脈沖星，期望找到前所未見的脈沖星現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)突破性的理論。

FAST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫云團(tuán)的運(yùn)動。所謂中性氫，就是宇宙中未聚攏成恒星發(fā)光發(fā)熱的氫原子，是一個質(zhì)子加一個電子。本 來從遠(yuǎn)處是看不到氫原子的，但質(zhì)子和電子就像旋轉(zhuǎn)的星球一樣有磁極。如果電子磁極罕見地倒轉(zhuǎn)了，一種波長為21厘米的微弱電磁波就跑了出來。

監(jiān)測21厘米波，不僅能判斷出哪里存在大量的中性氫，還可以用來描繪星系之間的交互作用造成的重力擾動。FAST觀測中性氫信號，就能獲知星系之間互動的細(xì)節(jié)，還可能發(fā)現(xiàn)早期宇宙中剛剛形成的氫是怎么運(yùn)動的，從而為宇宙發(fā)育史提供線索。類似的道理，F(xiàn)AST還能監(jiān)聽到一些太空有機(jī)分子發(fā)出的獨(dú)特電磁波，讓我們更精確地描繪出宇宙圖景。

至于能否發(fā)現(xiàn)外星人傳來的信號？FAST能從宇宙的今天看到很遠(yuǎn)的地方去，有助揭開宇宙起源之謎，甚至是‘地外文明’，宇宙中的生命體或高智商‘外星人’若存在，他們的產(chǎn)生、遺留之信息，若存在于浩瀚天宇中，有可能會被FAST探測并接收到。(綜合新華社、科技日報等報道)