张开“天眼”看宇宙

任玉梅

2 0 1 6年9月2 5日，“中国天眼”FAST即将在贵州平塘正式竣工并投入使用。这一天文学盛事，掀起了大众对寻找地外文明的热议。

而在中科院国家天文台副台长郑晓年看来，“寻找地外生命，的确是FAST的一个目标所在，但它更像是排在菜单末尾的甜点。FAST试图回答的，是更久远的问题，比如宇宙演化、脉冲星和星际分子，它将帮助解开宇宙初始混沌、暗物质分布与大尺度结构以及星系演化等领域的谜团。”

那么，FAST将如何解答这些谜题？

FAST谜题之寻找地外文明

FAST，全称“500米口径球面射电望远镜”，是目前世界最大的单口径球面射电望远镜，它的灵敏度与号称“地面最大机器”的德国波恩100米射电望远镜相比，提高了约10倍；综合性能与“人类20世纪10大工程”之首的美国阿雷西博305米射电望远镜相比，同样提高了约10倍。

“这意味着，它建成后将成为中国天文学研究的‘利器，在未来20～30年保持世界一流设备的地位。”郑晓年解释说。

中科院国家天文台研究员、FAST工程经理部副经理彭勃则表示：“由于灵敏度更高，FAST能看到更远、更暗弱的天体，通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号，寻找地外文明的几率比现有设备提升了5～10倍。”

那么，FAST是怎样寻找地外文明的？

答案是，通过一种波——一种肉眼看不见的无线电波。

和光学望远镜主要通过可见光来观测宇宙不同，射电望远镜主要观测的是无线电波。由于无线电波能穿透宇宙中大量存在、且光波无法通过的星际尘埃，因而射电望远镜的“视力”要比光学望远镜强得多。

正因为如此，自1932年射电望远镜问世后，便开启了探索宇宙的黄金时代——20世纪60年代，天文学四大发现类星体、脉冲星、星际有机分子和宇宙微波背景辐射，都与射电望远镜有关；诺贝尔奖历史上10项天文学奖中，有6项都基于射电望远镜的观测成果，射电天文学也因此成为“诺贝尔奖的摇篮”。

不过，来自太空的无线电信号非常微弱，有天文学家形象地比喻：“把80余年来所有射电望远镜收集的能量集中起来，甚至翻不动一页纸。”因此，要想阅读更多的宇宙信息，就需要“视力”更强的射电望远镜。

而这一“视力”的灵敏度与口径的平方成正比，可探测范围与口径的三次方成正比——总之，口径越大，射电望远镜的“视力”就越强。

据郑晓年介绍，直径500米的 FAST理论上能接收到137亿光年以外的电磁信号，这一距离，已接近宇宙边缘。

也就是说，如果宇宙中真的存在地外文明，FAST就极有可能捕捉到相关信号，从而揭开这些“星际邻居”的神秘面纱。

FAST谜题之探秘宇宙大爆炸

“FAST最主要的两大科学目标，是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星。”中科院国家天文台FAST工程总工艺师王启明介绍说。

中性氢，这是什么东西？探测它有什么用？

实际上，中性氢与大众耳熟能详的一个词——“宇宙大爆炸”有关。

我们知道，宇宙起源于137.4亿年前的一次大爆炸。但是，由于此前科学家很难将观测延伸到如此久远之前，关于大爆炸的细节，尤其是爆炸之初最为重要的60秒里发生的剧变，至今尚无明确答案。

幸运的是，宇宙中还有一位与大爆炸几乎同龄的“老人家”——中性氢。

中性氢能辐射出21厘米氢谱线，它能穿越宇宙尘埃、暗云等星际物质，因此能用于研究星际中性氢原子分布、银河系和河外星系结构，帮助人们解开宇宙大爆炸之谜。

但是，由于21厘米氢谱线的信号极其微弱，“阅读”它需要非常灵敏的望远镜，比如我们的FAST。

实际上，为了提高灵敏度，FAST采取了非常严苛的“毫米标准”。

“FAST的目标，是把覆盖30个足球场的信号，聚集在药片大小的空间里，如果不这样，就无法监听到宇宙中微弱的射电信号，”王启明介绍说，“因此，FAST500米口径的巨大结构，处处都是头发丝般的毫米级精度要求。用来编织索网的上万根手臂般粗细的钢缆，每一根的加工精度都被控制在1毫米以内；天线精度是3毫米，每一块小面板的制造精度是1.5毫米。”

此外，由于FAST采用了光机电一体化的馈源平台，加之馈源舱内的并联机器人二次调整，它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下，可实现毫米级指向跟踪，精确聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。

那么，FAST的灵敏度到底有多高？王启明打了个比方：“假设你在月球上打电话，FAST也能探测到你的信号。”

FAST谜题之星际旅行导航

FAST的另一大科学目标，是观测脉冲星。

脉冲星是高速自转的中子星，具有极其稳定的周期性，是宇宙中最精准的“天文时钟”。因此，它能成为星际航行的“灯塔”，为宇宙飞船提供自主导航信息服务。

“从射电望远镜诞生至今，人类共发现了约2500颗脉冲星，如果FAST的工作时间全部用于观测脉冲星，它一年内就有望将这个数量翻倍。”彭勃说。

而且，目前已观测到的脉冲星均在银河系内，FAST将对准银河系外的脉冲星，为天文界开拓新的研究领域。

当然，FAST能做的还有更多：探索暗物质与暗能量，检测引力波，研究黑洞如何吞噬小天体，搜寻中子星-黑洞双星、奇异星、夸克星物质……作为物理学和天文学研究的新平台，它将帮助我们解开深远宇宙中的更多谜题。

FAST谜题之“眼珠”怎样动起来

“中国天眼”之所以拥有如此多的强悍功能，不仅源于它的大，更来自它的灵巧——它是会“动”的！

也许你会说，眼睛不都会动吗？但对射电望远镜来说却并非都是如此。

在FAST问世之前的世界最大单口径球面射电望远镜——美国阿雷西博305米望远镜就不会“动”，而FAST则能在局部300米直径的抛面上“动”起来。

打个比方，阿雷西博就像是一只固定不动的305米直径的大眼睛，而FAST则是一只更大的、直径500米的眼睛，它上面有300米直径的眼珠，可以灵活转动，因而能眼观六路，视野宽广。

“眼珠”之所以会动，源于FAST工程中的中国三大自主创新之一——“主动反射面”技术。

据王启明介绍，为了让FAST能“动”起来，科学家们煞费脑筋，不断探索、试验，最终选择了“索网”结构，将4450个反射面单元面板固定在上万根钢索上，形成一个巨大的“网兜”——这也是目前全球跨度最大、精度最高、第一个采用变位工作方式的索网结构，再次刷新了世界纪录。

为提高索网的支撑作用，FAST项目团队研发出具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征的专用钢索，其500兆帕的超高应力幅，达到了国家标准的2.5倍。

“这种材料当时在国内没人能生产出来。”王启明介绍说，FAST项目团队用了整整两年时间，寻遍国内顶级的钢索厂及高校，才最终攻克了这种钢索技术。

在FAST反射面单元面板下，还创新设置了2000多个促动器。它们就像2000多只灵活的大手，拉动、支撑着索网，使500米直径的球面能局部变形为300米直径的抛面，从而让FAST的“眼珠”能跟随天体转动，跟踪扫描射电源。

实际上，FAST的建设，“从技术到材料，90%以上都是国产化，是中国制造，更是中国创造。”王启明说。

因此，FAST的建成，拓宽了中国科技创新的新维度，推动着我国在天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大跨度结构、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。未来，它还将为我们带来哪些传奇，让我们拭目以待！（编辑/余风）