FAST望远镜：“天眼”开启

2016-10-20曹玲

三联生活周刊 2016年41期

曹玲

9月25日，在贵州黔南州平塘县克度镇大窝凼，世界最大的500米口径球面射电望远镜（FAST）落成启用

选址

9月25日，贵州省平塘县克度镇的山坳里，建成了一口巨大的“锅”，这口锅直径500米，深173米。“如果装满茅台酒的话，全世界每人能分4瓶。”FAST项目工程经理部副经理彭勃说。

从山顶观景台看去，它给人的第一感觉就是大，以至于普通的摄像头无法全部收纳。这口人工打造的“大锅”，就是500米口径球面射电望远镜（Five- hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope），为了有利于传播，英文缩写为FAST，它所在的山坳，名字叫大窝凼。FAST望远镜可谓一鸣惊人，将国内最大射电望远镜的口径从几十米一下子提高到500米，成为世界上最大的望远镜。

从1994年FAST选址开始，FAST工程台址与观测基地系统总工朱博勤见证了天眼建设的全部过程。1994年6月，他第一次听说国要建设一个世界最大、新一代的大射电望远镜，当时天文台（原北京天文台）的领导希望遥感应用研究所能运用遥感技术进行选址。

在遥感应用研究所所长童庆禧院士的倡导下，成立了选址工作组，朱博勤和魏成阶、聂跃平、田国良成为选址组的主要成员。当时他正在遥感所承担1∶10万比例尺全国土地利用遥感调查任务，再加上由于没有经费支持，选址只能作为“业余工作”。

刚开始的时候，科学家并没有确定望远镜的具体几何形态指标，也没有类似的选址案例可以借鉴，给他们提出的要求是要找一个洼地。洼地有很多种，比如火山口、矿坑和陨石坑，再结合电磁环境、地质条件、排水、造价，以及有无降水、滑坡和地震等灾害等诸多因素之后，发现岩溶地区的洼地最适合建造大型望远镜。“除了贵州，广西也有岩溶地貌，比如漓江两岸的山区，但它是发育到中晚期的岩溶地貌，是峰林洼地，和外界直接相通。而贵州多地的岩溶地貌还是早期地貌，是峰丛洼地，像大窝凼这样被山围起来的地形，对减少电磁波的干扰特别有效。”

最早他们用马驮着行李，找当地老百姓当向导，去考察各个洼地，一天只能看一两个洼地。通过与天文台项目推进工作组的不断交流和讨论，直到1998～1999年，才终于明确了对地形的要求——需要一个500米口径的洼地。他们将350～600米口径的洼地建立了数据库，考察洼地的深度、开口大小、有无居民点，有没有排水洞等因素，从400多个洼地中筛选出24个，又从24个中筛选出3个，最后选出了大窝凼。据彭勃介绍，当时国家天文台委托两家院所进行独立搜寻，大窝凼都获得了最高分。

大窝凼有着极为宁静的自然环境，由于无线电环境对射电望远镜影响极为重要，项目地址半径5公里之内必须保持宁静和电磁环境不受干扰。大窝凼附近没有集镇和工厂，在5公里半径之内没有一个乡镇，25公里半径之内只有一个县城，是最为理想的选择。

“大窝凼的深度、形状、电磁波环境、周围岩石基础都是最佳的。它底部有个落水洞，东边一公里之外有个比大窝凼还要低的水淹洞，可以开一个隧道进行排水，雨水不会在表面淤积，腐蚀和损坏望远镜。”朱博勤说。FAST台址内建有环形和纵向排水沟，雨水会顺着排水沟从上往下流，直至台址底部中心，然后通过隧道流出。从地形上看，大窝凼很圆，周围的基岩很坚实，可以作为基梁和塔的支撑基础，而且开挖土石方量也很小。”

贵州有很多和大窝凼类似的天坑

2009年6月，朱博勤正式调到中国科学院国家天文台，与台址勘察与开挖系统、台址与观测基地系统团队一起直接参加FAST工程建设至今。除此之外，他还负责修路、绿化等工作，他指着周围的花草说，这些都是他前几天刚买的。FAST基地新建的实木结构综合楼里一片绿油油，也是他的成果。参与世界最大单口径射电望远镜的建设让他倍感荣幸、自豪，他说：“作为FAST工程的建设者，我热切期待观天巨眼睁开眀眸、辨识宇宙。”

大窝凼就像一个天然的巨碗，刚好盛起望远镜约20万平方米的巨型反射面。建成后的望远镜，填满了整个山谷。如今，它终于睁开了“眼睛”，向宇宙深处观看。

倾听宇宙的声音

为什么要造这样一台大望远镜呢？

当你听音乐时，你的耳朵所接收到的音频范围其实很广，从重低音的隆隆声到最高的一调。如果你的耳朵只能听到非常有限的音频范围，你将会错过大部分美妙的音乐。类似的问题也会发生在天文学家身上，由于人眼的视力仅限于看见可见光，几百年来天文学家始终是徘徊在电磁波“中音区”的井底之蛙。

电磁波包含的范围很广，除了可见光之外，微波、红外线、紫外线、X射线、伽马射线都是电磁波家族中的成员。人眼只能感知介于红光和蓝光波长范围内的有色光，对于具有更长波长或者更短波长的电磁波，就无法识别了。而宇宙本身散射着各种波长的电磁波，如果只研究可见光波段的电磁波就好比带着严重的听力障碍去听音乐会。

直到一个世纪前，人们才发现在宇宙中存在看不见的电磁辐射，它们从宇宙深处不远万里来到地球。就拿宇宙中的无线电波（又称射电波）来说，它是在20世纪30年代被意外发现的。尽管某些来自宇宙的无线电波和地面上的广播站拥有相同的频率，但并不意味着宇宙也在向我们广播。因为来自太空的无线电波极其微弱，根本不足为听。如果将这些电波转换为声音，你听到的不过是爆裂声或者嘶嘶声。为了将频率调到宇宙电台，我们需要一个巨大的碟形天线——射电望远镜。“哈勃等传统光学望远镜接收的是可见光，射电望远镜接收的是肉眼看不到的射电波。我们的手机接收的信号大约是900兆，FAST望远镜接收的信号范围从7兆到3G。”FAST项目测控系统工程师翟学兵说。

FAST之前，世界上最大的射电天线锅是美国300多米直径的阿雷西博望远镜。它建成于1963年，坐落于波多黎各一座火山口，已在世界上接收面积最大的单口径射电望远镜的宝座上雄踞了半个世纪之久。阿雷西博的最初口径为305米，20世纪70年代扩建至350米。“阿雷西博望远镜很成功，建成50多年给我们带来了很好的科学发现，也给FAST带来很大信心。”前来参加FAST落成仪式的英国天文学家彼得·诺曼·沃金森（Peter Norman Wikinson）说。

20世纪60年代天文学取得了四项非常重要的发现——脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子，被称为“四大发现”，这四项发现都与射电望远镜有关。诺贝尔奖历史上基于天文观测的10项获奖成果中有6项都出自射电望远镜，可以说，现代射电天文学已成为诺贝尔奖的摇篮。

1993年，东京召开国际无线电科学联合会（URSI）大会，筹谋21世纪初的射电天文学发展蓝图。包括中国在内的10国天文学家分析了射电望远镜综合性能的发展趋势，为观测不同宇宙距离上的中性氢提出了建造下一代大射电望远镜LT的倡议。LT将是一个总接收面积1平方公里的射电阵（1999年，LT易名为平方公里阵SKA）。科学家们期望，在电波环境彻底被破坏之前，真正看一眼初始的宇宙，弄清宇宙结构是如何形成和演化至今的，只有大射电望远镜才能帮助人类实现这一梦想。如果失去这一机会，人类就只能到月球背面去建造同样口径的望远镜。

制造更大的望远镜非常困难。天线锅要求毫米级的精度，在平地上建百米以上的天线锅，自重就会造成形变，一阵风也会让它变形。所以，FAST最终选址于贵州的“天坑”中。凭借500米的口径、相当于30个足球场的接收面积，FAST终于取代阿雷西博，成为新的射电望远镜之王。它不仅在尺寸规模上创造单口径射电望远镜的新世界纪录，而且在灵敏度和综合性能上，也登上了世界的巅峰。与号称“地面最大的机器”德国波恩100米望远镜相比，FAST的灵敏度提高约10倍;与阿雷西博300米望远镜相比，FAST的灵敏度高2.25倍。可以预测，FAST将在未来20～30年保持世界一流设备的地位。

寻找脉冲星

走进FAST，它的白色圈梁就像一座钢桥，被50根6米到50米高低不等的钢柱支在半空，周长1.6公里，走一圈大约40分钟。鸡蛋粗细的钢索攀附圈梁悬垂交错，总重1300吨，编织成一张巨大的网。

望远镜的反射面有近30个足球场大，由2400块边长11米的铝制三角形组成，每个三角形的连接点都可以依靠下拉索，通过促动器进行运动。科学家可以根据观测天体的方位，在500米口径反射面的不同区域，将部分面板组合成口径300米的抛物面望远镜，以观测不同角度的天体。形象地来说，如果把FAST比作一只巨大的“眼睛”，那么这只“巨眼”的“眼球”直径是500米，而负责接收光线的“眼珠”直径是300米。FAST正是依靠这颗巨大灵活的“眼珠”，来汇聚电磁波、观测深空的。

从铝制反射面板的下方看上去，面板像筛子一样布满小孔，每块面板有50%的面积是镂空的。这些小孔可以减轻重量，减少变形。漂浮物和小颗粒可以通过面板直接过滤，面板上的灰尘会在下雨时从小孔冲刷掉，其他杂物比如落叶，可以顺着球面落到底部再被清理。除此之外，这种透风的设计还可以减少气流对电磁波接收的干扰。此外，光线穿透一个个小孔，让反射面下的植被正常生长，望远镜底部不会日久天长变成一个烂泥坑。有风的时候，风通过面板，会发出轻微的哨声。

锅底正上方悬吊着一个被称为馈源舱的装置，馈源舱平台下安装着FAST用来接收信号的馈源接收机，通过它把数据传输出去。“与国外的射电望远镜不同，FAST馈源舱可以移动。”FAST工程馈源舱支撑系统副总工程师李辉说。他们的创新之处还在于，将万吨级别的馈源平台系统降低至30吨。

“人们都知道FAST的‘大，但实际上它的‘精准才最令人震撼。”朱丽春是FAST工程系统中唯一的女性“总工”，自称“女汉子”，她所负责的测量与控制系统是FAST工程的关键技术之一。“没有精密测控，FAST会变成瘫痪的植物人。”以馈源舱的测控进度为例，进行观测时，仅仅移动舱体这个简单过程，也要经过三级精密测控。“大锅”边缘矗立着24个安置激光全站仪的基墩，工程师用梅花桩将其打到地面的基岩。“经过3年测试，基墩达到了不超过一毫米的高稳定性，从而保证馈源舱的移动定位和反射面变形形成的瞬时抛物面使用相同的基准，达到同时、同位置运行的要求。”朱丽春说。

FAST望远镜建成之后，未来3～5年的工作重点是调试和试观测。“并不是说今天建成了，明天就可以‘下锅炒菜。反射面由球状变为抛物面的变形过程，以及馈源舱的移动进度，都还需要进一步调试，距离开展业务化常规观测还有相当长的路要走。”朱博勤说。

随着望远镜的建设，来参观的人越来越多，这让科学家们担忧。FAST工程的诸多科学家纷纷表示，未来游客参观望远镜时，绝不允许携带手机、数码相机、智能手环等电子设备，这样可能会导致FAST接收到的信息失效或者有偏差。为了保护FAST免受电磁干扰，2010年12月电磁兼容工作组成立，负责电池环境的保护和无线电干扰的协调。贵州省也制定了《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》，已于2013年起实施。

从克度镇到FAST望远镜大概半个小时车程，途中一个拐弯处立了一块巨大的蓝色告示牌，上面写着：“您已进入电磁波宁静保护区，请自觉遵守贵州省人大常委会批准的《黔南布依苗族自治州500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区环境保护条例》。”这个条例于今年9月25日起正式施行。

“射电望远镜面临一个挑战，来自外太空的信号非常微弱，而人造信号则很强大，所有射电望远镜收集的信号加起来，还比不上打开一个手电筒的能量。在距离射电望远镜一公里的地方使用手机，会比宇宙中最强大的射电源还要强大。”沃金森说。

据他介绍，科学家还将利用FAST对已被发现的脉冲星进行观测，以此验证望远镜的各项指标，为发现新的脉冲星做准备。

事实上，FAST已经有了新的发现。9月25日，中科院国家天文台台长严俊在FAST落成启动仪式上透露，FAST上周已在早期科学观测中，成功接收到一颗脉冲星发出的脉冲信号。从获取的频率相位图中，科研人员计算出这颗脉冲星与地球相距1351光年。

FAST的科学目标中最重要的一项就是观测脉冲星。脉冲星是宇宙中具有超强磁场，并极快速旋转的中子星，科学家将脉冲星比作一座灯塔，不仅仅是因为它的光束像灯塔，更因为它能在宇宙中指明方向。未来星际航行时，只要宇宙飞船上安装脉冲信号的接收机，接收至少三颗脉冲星信号，宇航员们就能准确地知道飞船在宇宙中所处的方位。同时，脉冲星发出的射电脉冲信号周期性非常精准，大多数射电脉冲星的周期在100万年内改变不到1秒，超过地球上已知的钟表精度的好多个量级，可以作为宇宙时钟使用。

迄今为止，人们发现了2500余颗脉冲星，其中大部分是由澳大利亚64米口径的帕克斯望远镜找到的。有研究认为，如果使用FAST来寻找脉冲星，我们将能发现6500颗新的脉冲星，这将是已发现脉冲星总量的2.6倍。FAST加盟大口径望远镜家族，将大大推进人类认识宇宙的速度。

FAST还可能观察到早期宇宙的蛛丝马迹——中性氢云团的运动，掌握星系之间互动的细节，揭秘宇宙的起源和演化。它还能听到一些太空有机分子发出的独特电磁波，搜索可能的星际通讯信号和地外文明。FAST工程副总工艺师孙才红表示：“无线电台、卫星电视发出的无线电信号，都存在人为编码。而天体信号是一种类似有规则的随机信号，不会有人为调制痕迹。如果FAST能收到太空中有编码的信号，肯定不属于天体现象。”

“中国迈出了非常大的一步。当你达到世界水平之后，会把整个世界吸引过来。”对于FAST，沃金森非常期待。