中国“天眼”志在深空

2016-10-14

发明与创新 2016年29期

关键词：脉冲星反射面天眼

中国“天眼”志在深空

7月3日，直径500米、迄今全球最大的“锅盖”在贵州喀斯特天坑中架设完成。它就是500米口径球面射电望远镜（FAST），世界上最大和最具威力的单口径射电望远镜。

它被称为“天眼”，用来倾听宇宙深处的声音、观测宇宙奥秘。

尽管还有一段时间FAST才能正式竣工，但这个位于贵州黔南州平塘县大窝凼的世界第一大单口径射电望远镜早已按捺不住，在工程的最后冲刺阶段便摩拳擦掌，开始接收来自宇宙的信号。

7月3日，随着FAST的最后一块“镜片”吊装完毕，其主体工程反射面单元系统——那口“大锅”宣告完工。

作为射电望远镜，FAST的基本原理和人们常见的锅式卫星天线相差无几，主要由反射信号的抛物面和接收信号的馈源两大部分组成，通过“锅”的反射聚焦，把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。只不过，FAST这口“锅”更大，接收面积相当于30个足球场。

如今“大锅告成”，科学家未来将在这口“锅”里做出什么“菜”？那些人类用肉眼难以感受到的宇宙信号又将给这个世界开启一扇怎样的窗户？备受关注的地外文明能否通过这口“大锅”得以证实或证伪？

从老式电视上的雪花点说起

当老式电视收不到信号时，屏幕上不是一片空白，而是闪烁着密密麻麻的雪花点。其实，这些雪花点就是电磁波信号，其中也包括来自太空的射电辐射。

1933年，美国贝尔实验室的科学家用一台灵敏度很高的接收机意外发现了来自银河中心稳定的射电辐射，从此开启射电天文学的大门。

用过“锅盖天线”的人都知道，锅盖口径越大，电视画面也越清晰。对于射电望远镜来说，口径越大看得越远。全世界的射电天文学家都追求建造更大口径的“锅盖”，以提高射电望远镜的灵敏度。

中国科学院国家天文台研究员、FAST工程副经理彭勃说，射电望远镜在设计建造之初就曾遇到经费紧张的问题，但不管减什么科学家们都不愿缩小望远镜的口径。

“宇宙空间混杂各种辐射，遥远的信号像雷声中的蝉鸣，没有超级灵敏的耳朵根本分辨不出来。”FAST工程首席科学家、总工程师南仁东说。

此前，世界上最灵敏的射电望远镜分别是德国波恩100米望远镜和美国阿雷西博300米望远镜。前者可以移动“摇头”，后者则借助波多黎各岛上的喀斯特洼坑建造。

1993年国际无线电科学联盟大会上，包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”的倡议，渴望在电波环境彻底毁坏前，回溯原初宇宙，解答天文学中的众多难题。

“造世界第一大口径射电望远镜，是南仁东老师和几位前辈的梦，体现了中国天文学家的鸿鹄之志。”彭勃说。

1995年底，北京天文台联合国内20余所大学和研究所成立了射电“大望远镜”中国推进委员会，提出利用贵州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。

此后，中国科学家们进一步推进喀斯特概念，提出独立研制一台新型的喀斯特单元，即500米口径球面射电望远镜。

为了给新一代射电“大望远镜”安家，科学家们通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个遍。彭勃回忆，当时天文台委托两家院所进行独立搜寻，从300多个候选洼坑中遴选。结果，位于黔南州平塘县的大窝凼两次都获最高分。

贵州天然喀斯特洼坑提供的条件始终都是中国大射电望远镜最独到、成为世界最大最强的基础。

▲7月3日，工作人员在现场放气球，庆祝世界最大单口径射电望远镜主体工程完成（新华社欧东衢摄）

对准银河系外脉冲星

按照FAST工程设计，洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面，反射面通过索网带动，可以在射电电源方向上形成300米口径的瞬时抛物面，使望远镜接收机可以同传统抛物面天线一样处在焦点上。

如今，反射面单元完工，用FAST工程总工艺师、中国科学院国家天文台研究员王启明的话说，就好比500米口径的“大锅”建成了，300米的“碗”可以在“大锅”里滚来滚去，以便接收宇宙信号。

事实上，FAST在此之前的调试过程中就已经接收到一些信号——这口“大锅”的每一次调试，从某种意义上来说，都是一次信号“接收”的过程。FAST工程常务副经理、中国科学院国家天文台副台长郑晓年说，这也是大科学工程的特点，即边研究边制造，边调试边使用。

目前，科学家正在对这些一手的宇宙信号进行分析处理。郑晓年说：“现在还不能确认。要过滤掉背景的杂音，看看它究竟‘听’到了什么。”

毕竟，处于调试阶段的“倾听”环境不够理想，因为FAST无法忍受一个充斥着电波的环境。南仁东曾有一个形象的说法：“不要说用手机，就算是附近使用电器，或者几十公里外有飞机向地面发送信息，在FAST那里都会造成一场电磁风暴。”

因此，平塘县大窝凼的“天坑”里不通电线，没有大型工业，最近一个乡镇在5公里外。

郑晓年说，一旦FAST正式运行，其方圆5公里将被划为无线电宁静区。这意味着可以发射无线电信号的电子设备都将被禁止使用。对这口“大锅”来说，这将是一个极佳的观测环境。

“如果有人在月球上打手机，我们也可以听到。”郑晓年以此来形容FAST的灵敏度。

根据科研团队的设想，一旦FAST正式运行，首要科学目标即是“观测脉冲星”。脉冲星是大质量恒星演化的最终产物，人类未来有望把脉冲星改造成星际导航，为宇宙飞船指明方向。

不过，目前已观测到的约2000颗脉冲星均在银河系内，郑晓年说，FAST将对准的是银河系外的脉冲星，这对天文界来说也将是一个突破。

或能用于寻找外星人

号称“看得最远”“听力最灵敏”的FAST能收到遥远太空外星文明的信号吗？对这个很容易吊起大众胃口的话题，天文界并非没有议论。一种说法是，今后一二十年里，如果地球接收到外星人释放的信号，那一定有FAST的功劳。

对此，郑晓年坦言：“地外文明在天文学界还存有争论。毕竟，科学讲究试验可验证的，但一些关于地外生命的可疑信号却均因没能重复而无法确认。”

不过，不管是科学界的切实研究，还是科幻界的异想天开，人类在探索未知宇宙的道路上从未停下前行的脚步。

FAST就是一只备受期待的“灵敏大耳朵”。FAST工程总经理、中国科学院国家天文台台长严俊说，与号称“地面最大机器”的德国波恩100米望远镜相比，FAST灵敏度提高约10倍，与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米望远镜相比，其综合性能提高约2.25倍。

在FAST最后一块“镜片”的吊装现场，作为受邀来现场观摩的嘉宾，科幻作家刘慈欣为眼前的这个大家伙感到震撼。这让他想到了自己的作品《三体》里中国探寻外星文明的绝秘计划“红岸工程”。

不少年轻的科学爱好者会把FAST与“红岸工程”相提并论，对此，刘慈欣表示，两者并不相同——FAST只用来接收信号而不能向外界主动发射信号，这说明现实中的人类在设计上相对谨慎。他十分期待有一天人类可以通过FAST接收到外星信号。

郑晓年表示，寻找地外生命的确是FAST的一个目标所在，不过，它更像是排在菜单末尾的甜点。在天文学家眼中，FAST试图回答的是更久远的问题，比如宇宙演化、脉冲星探测和星际分子。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。

“许多人类探索宇宙的未解之谜都有望从它身上找到答案。但究竟能看到什么，在科学研究出来之前，一切都不好说。”郑晓年说。

射电天文学已是诺奖摇篮

与光学望远镜相比，射电望远镜有不少优势，比如，无线电波可穿透宇宙中大量存在而光波又无法通过的星际尘埃，因而射电望远镜可以观测更遥远的未知宇宙。

这也让FAST所在的射电天文学领域处于天文研究的前沿地带，并成为诺贝尔奖的摇篮。在诺贝尔奖历史上，明确基于天文观测的10项获奖成果中，有6项出自射电望远镜。

按照严俊的说法，全新的设计思路加上得天独厚的地址优势，使FAST突破了射电望远镜的百米极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式，并将在未来20年～30年保持世界一流设备的地位。

FAST未来如何运行，是否会向国际同行开放共享的问题也备受关注。FAST工程办公室主任张蜀新表示，FAST将向全球开放，但也会遵循国际惯例，优先选择本国科学家的项目。郑晓年也表示，通过观测更深远、更清晰的宇宙，无论是在最热的脉冲星领域还是在引力波探测方面，FAST都将为中国科学家带来前所未有的机遇。

按照计划，FAST将在今年9月正式竣工，随后进入全系统调试阶段。（本刊综合）※