世界最大最靈敏單口徑射電望遠鏡——
“中國天眼”，聆聽宇宙的聲音(開卷知新)
姜 鵬
《人民日報》(2021年04月29日第20版)
2021年3月31日，“中國天眼”(FAST)正式向全球天文學(xué)家開放�！爸袊煅邸笔鞘裁�？它是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)、用于探索宇宙的單口徑球面射電望遠鏡。有了它，可以推動對宇宙深空的了解與探測，為天文學(xué)的發(fā)展提供新的可能。
“中國天眼”有多大？它口徑500米，發(fā)射面積相當(dāng)于30個標(biāo)準(zhǔn)足球場那么大。如果在里面倒?jié)M礦泉水，全世界70億人平均每人可分4瓶。它能看多遠？能看穿130多億光年的區(qū)域，接近宇宙邊緣。目前，“中國天眼”是世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠鏡。
借鑒拋物面天線原理，從地球聆聽來自宇宙的信號
“中國天眼”的學(xué)名是500米口徑射電望遠鏡。不同于常見的通過可見光進行觀測的光學(xué)望遠鏡，射電望遠鏡通過接收宇宙中不可見的無線電波來“觀測”宇宙。我們上方厚厚的大氣層有兩個“窗口”： 一個是可見光窗口，千百年來人類都是通過這個窗口觀測宇宙的；一個是無線電窗口，上世紀(jì)30年代，無線電天文學(xué)先驅(qū)卡爾·央斯基偶然發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的信號，射電天文學(xué)的大幕由此拉開，推動人類認(rèn)識宇宙起源、生命起源。
“中國天眼”是當(dāng)今射電天文學(xué)的“重器”。其基本原理是什么呢？我們都知道，平行電磁波遇到拋物面反射后會匯聚到焦點的位置。對射電望遠鏡來說，把反射面做成拋物面的形狀，然后在焦點位置放置一臺接收機，就可以匯集天體發(fā)出的電磁波信號，從而進行天文觀測。拋物面的面積越大，匯集的信號就越多，也就越能探測到更暗弱、更遙遠的天體。所以，自卡爾·央斯基意外發(fā)現(xiàn)射電天文觀測窗口之后，各國天文學(xué)家就一直致力于建造反射面盡可能大的巨型射電望遠鏡。
與此同時，伴隨人類對無線電的大規(guī)模使用，產(chǎn)生了越來越多的無線電波，干擾了人類對太空信號的接收。在1993年國際無線電大會上，包括中國在內(nèi)的多個國家提出倡議，希望在地球電磁波環(huán)境被破壞之前，建造出超大口徑的射電望遠鏡。次年，以南仁東先生為代表的中國科學(xué)家開始“中國天眼”的探索，開啟了“把不可能變成可能”的征途。
難度大、突破多，“中國天眼”在靈敏度上占據(jù)制高點
到底能建口徑多大的望遠鏡，取決于最終找到多大的洼地。適宜的洼地非常難找，因為它要同時符合四大條件。首先要足夠大、足夠圓，否則只是開挖和支護成本就會讓這個項目無法實現(xiàn)；其次，要遠離人口密集區(qū)域，這樣才能保證優(yōu)良的電波環(huán)境；再次，不能積水，不然設(shè)備壽命難以保證；最后，還要有優(yōu)良的地質(zhì)條件，否則無法建成大型、高精度的天文觀測設(shè)備。
從1994年到2006年，南仁東帶領(lǐng)團隊，從8000多幅地圖中選出300多個洼坑，再進一步將范圍縮小至幾十個。團隊幾乎走遍這些洼地，現(xiàn)場踏勘，風(fēng)餐露宿。最終，將臺址定在貴州平塘縣克度鎮(zhèn)的大窩凼洼地。
臺址確定后，如何設(shè)計、如何實現(xiàn)、建成之后如何調(diào)試和使用，都沒有現(xiàn)成經(jīng)驗可以借鑒：關(guān)鍵技術(shù)無先例可循、關(guān)鍵材料需從頭研制。
“中國天眼”設(shè)計不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡，這首先體現(xiàn)在“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”的設(shè)計上�！耙暰W(wǎng)膜”指反射面；“瞳孔”指饋源艙，即放置接收宇宙外信號裝置系統(tǒng)的艙體。
作為世界首創(chuàng)，“中國天眼”的“視網(wǎng)膜”是主動反射面，可以改變形狀，一會兒是球面，一會兒是拋物面。具體來說，這張龐大的可動的“視網(wǎng)膜”是一張由6670根鋼索編制的索網(wǎng)，掛在一個由50根巨大鋼柱支撐的直徑500米的圈梁上；索網(wǎng)上鋪有4450塊、380多種反射面單元；索網(wǎng)下方是2225根下拉索，每一根下拉索都被固定在地面上的作動器上，通過操縱作動器，拉動下拉索來改變索網(wǎng)形狀，從而對天文信號進行收集和觀測。
“中國天眼”的“瞳孔”即饋源艙，也是一個大膽的突破性設(shè)計。大多數(shù)傳統(tǒng)射電望遠鏡的“瞳孔”位置是固定的，或僅可以微調(diào)�！爸袊煅邸眲t完全不同，采用的是全新的輕型索驅(qū)動控制系統(tǒng)，這讓“中國天眼”的“瞳孔”可以自如改變角度和位置，更有效地收集、跟蹤、監(jiān)測更豐富的宇宙電磁波。
從體量來說，原世界第一大射電望遠鏡的饋源艙重1000多噸，“中國天眼”饋源艙重僅約30噸。體積小帶來多方面的優(yōu)勢，比如可有效減少光路遮擋、減少干擾信號，從而讓波束非常干凈，更有利于天文觀測。
“中國天眼”在設(shè)計上的突破創(chuàng)新，為“從圖紙到現(xiàn)實”的制造帶來巨大挑戰(zhàn)。而應(yīng)對挑戰(zhàn)的過程，也正是國產(chǎn)精準(zhǔn)制造不斷創(chuàng)造奇跡的過程。比如，要實現(xiàn)反射面(即索網(wǎng))可改變形狀這個世界首創(chuàng)設(shè)計，要求構(gòu)成索網(wǎng)的鋼索像彈簧一樣有一定伸縮性，疲勞強度是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的兩倍多，國際上未有先例；還要求每根鋼索的加工精度要達到1毫米，把傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提升了一個數(shù)量級。
兩年來，科學(xué)家們持續(xù)全方位地改進索體工藝，一根鋼索要進行200萬次疲勞實驗。經(jīng)歷了近百次的失敗后，最終成功解決了這個關(guān)鍵問題，實現(xiàn)了3項世界創(chuàng)舉：超大跨度、超高精度、主動變位式的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
建設(shè)完成之后，“中國天眼”進入調(diào)試階段。巨型望遠鏡調(diào)試涉及天文、測量、控制、電子學(xué)、機械、結(jié)構(gòu)等眾多學(xué)科，是強交叉學(xué)科的應(yīng)用性研究，國際上傳統(tǒng)大射電望遠鏡的調(diào)試周期很少低于4年�！爸袊煅邸遍_創(chuàng)了新模式，其調(diào)試工作也更具挑戰(zhàn)性。
截至目前，已經(jīng)實現(xiàn)跟蹤、漂移、運動掃描、編織掃描等，提前完成功能性調(diào)試。在性能調(diào)試方面，“中國天眼”直徑500米，卻要實現(xiàn)毫米級的精度，難度相當(dāng)大。當(dāng)前，望遠鏡測量基準(zhǔn)網(wǎng)的精度已提升至1毫米以內(nèi)，其中，靈敏度水平是世界第二大望遠鏡的2.5倍，這是中國建造的望遠鏡第一次在靈敏度這個參數(shù)上占據(jù)制高點。另外，19波束已經(jīng)完成安裝，其意義也非常重大：可將望遠鏡視場擴大至原來的19倍，大幅提升望遠鏡的巡天效率。
“中國天眼”專利技術(shù)被運用于多個領(lǐng)域，持續(xù)孵化科學(xué)新成果
“中國天眼”團隊敢想敢做，難度大、挑戰(zhàn)大，其設(shè)計、建造的過程既是攻堅克難的過程，也是創(chuàng)新性成果相繼產(chǎn)生的過程。許多具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)相繼誕生并得到應(yīng)用。比如，超高疲勞性能鋼索結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于大型體育場館，高精度索結(jié)構(gòu)生產(chǎn)體系被應(yīng)用于港珠澳大橋等建設(shè)。
在整個制造、安裝過程中還產(chǎn)生了許多國家級、省級工法。比如，在為“中國天眼”鋪設(shè)“視網(wǎng)膜”過程中，4450塊反射單元、6670根鋼索、上萬個關(guān)節(jié)軸承，都是工人們在幾十米高空一塊塊、一根根、一個個拼裝完成的，容錯率為零。這些復(fù)雜工法將有助于未來大型復(fù)雜項目的精準(zhǔn)建造。
可以說，“中國天眼”是一個現(xiàn)代工程奇跡，它凝結(jié)了20多個科研機構(gòu)、上百名科研人員的心血，匯聚了幾千名一線工人的汗水。建造條件艱苦，很多人在現(xiàn)場工作幾天，身上就會起滿紅疙瘩。潮濕、陰冷的工棚沒有空調(diào)或暖氣，每個人的被子潮濕得快要擠出水來。常有人說，只有中國才能做成“天眼”，我想，做成“天眼”所依靠的，就是這種永不言棄、眾志成城的精神。
2017年10月，“中國天眼”首批科學(xué)成果公諸于世。如今，基于“中國天眼”數(shù)據(jù)發(fā)表的高水平論文已有70余篇；所發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量已超過300顆，是同一時期國際上所有其它望遠鏡發(fā)現(xiàn)數(shù)量總和的3倍。為什么發(fā)現(xiàn)脈沖星至關(guān)重要？脈沖星是正在快速旋轉(zhuǎn)的中子星，密度極高，每立方厘米重達上億噸。它自身如燈塔一般散射光芒，時時刻刻地掃描著宇宙；它自轉(zhuǎn)速度很快、自轉(zhuǎn)周期精確，堪稱宇宙中最精確的時鐘。因此，把握脈沖星，有利于建立“宇宙導(dǎo)航系統(tǒng)”，有助于人類在未來實現(xiàn)星際旅行的夢想。
接下來，“中國天眼”將進一步在低頻引力波探測、快速射電暴起源、星際分子等前沿方向加大探索，加強國內(nèi)外開放共享，推動重大成果產(chǎn)出，勇攀世界科技高峰。我們青年一代科學(xué)家也將努力“用”好凝結(jié)了中國4代科學(xué)家心血的“天眼”，產(chǎn)生更多科研成果，推動人類對宇宙的探索和認(rèn)知。
(作者為FAST總工程師)
