开放中国天眼：全球视界的一场“盛宴”

本刊综合

每个喜欢星星的孩子心中都有一个天文梦。他们听着“数星星孩子”这个故事，憧憬飞往浩瀚的太空，幻想有一天也能成为像张衡一样的天文学家。

人类自从站立在脚下这片大地以来就一直观察星空，研究群星之间的运行规律。闪耀的恒星令人向往，人类对遥远行星地表发生的一切更是充满了好奇。美国天文学家卡尔·萨根曾经说过，每个人年幼时都是科学家，对自然界充满好奇和敬畏。

今天，让我们一起重拾曾经的梦想，认识一位帮我们圆梦的“数星星孩子”——中国天眼。

3月31日零时起，我国500米口径球面射电望远镜开始接受全世界各国天文学家的观测申请，在国际视界发出了豪迈的中国声音。

作为人类迄今最大、最灵敏的单口径射电望远镜，它能够接收到100多亿光年以外的电磁信号，是中国科技创新的又一标杆。

这囗锅不烹家常饭菜

500米口径球面射电望远镜（FAST）又被形象地稱作中国天眼，是按照卫星锅的原理建造的，换句话说，是超大型卫星锅。这口大锅的主要功能是接受遥远的外太空的电磁波信号，发现中子脉冲星。

脉冲星信号最早被认为是外星人向人类发出的信号，这一说法后来被科学家否定了。它其实是很久以前宇宙发生剧烈爆炸残留的电磁波。电磁波历经几亿光年的漫漫旅途才来到地球，但与地球邂逅不到一秒钟，又返回茫茫太空。脉冲星的发现有助于人类在太空中的定位和时钟的准确度，天眼发现它的速度是其他天文望远镜的10倍。

天眼还可以发现一些早期的星系活动迹象，有利于我们发现行星、恒星的运行轨迹。

同时，天眼像雷达一样有很强的监测能力， 能够捕捉到来自太阳系任何一个地方发射过来的微弱电磁波， 可帮助人类寻找类地行星。如果没有天眼，我们现在的手机浏览速度会慢得让人抓狂。

美国捷足先登

星际间振荡的无线电波、拖拽着长长彗尾在星空流浪的彗星和太阳表层不断翻滚的等离子体，一直都是天文学家关注研究的对象。

星空不是一片死寂，人类社会更是如此。各种电子设备、卫星电视电台散播的电波和无线电信号，其噪声盖过了遥远恒星发出的微弱信号。建造一根巨大电线来捕捉天外之音，是美国阿雷西博射电望远镜最初的设想。

1963 年11 月1 日，这一设想得以实现，标志着人类面向浩瀚的太空睁开了第一只天眼。

阿雷西博射电望远镜最引人注目的是它巨大的体积。它的反射盘是个直径为305 米、深51 米、曲率半径为265 米的半球形结构物，通俗地说，就像一口架在炉灶上的巨锅。表面由38 778 块铝板构成，每块约1X2 米，用钢缆网（约1.6 平方米）支撑，总面积相当于5 个足球场那么大。平台上有条长93 米的旋转弓形轨道，称为方位臂，承载着接收天线以及2 级、3级反射器。

阿雷西博射电望远镜是固定望远镜，不能转动，只能借助地球自转改变天线馈源的位置，在地天40 度的范围内观察天象。

在后来的服役中，阿雷西博射电望远镜经历了两次升级，从而不仅能拍摄到金星表面约1 千米的清晰图像，甚至可以在月球附近遥测到高尔夫球大小的物体。然而，就是其中的一次升级，轻率地将镜面直径从305 米扩大到350 米，为阿雷西博射电望远镜后来的解体留下了致命的隐患。

最奇异的是，阿雷西博射电望远镜名义上是为了深空科学研究，实际上一投入运行，就被用在了对前苏联的冷战，譬如收集电子信号情报，包括从月球表面反弹回来的前苏联雷达信号。

美苏冷战结束后，阿雷西博射电望远镜才真正转向民用科研，揭示地球电离层、太阳系及其外部世界新发现的细小行星，为射电天文学以及行星和太阳系研究（包括引力波）的重要发现提供支持。它还承担着时刻提防杀手级小行星对地球的袭击、探索外地文明的责任。

阿雷西博射电望远镜立下的赫赫功绩也镌刻在了人类发展史册上：

皮滕吉尔用它确定了水星的自转周期，改变了人类一直以来“水星自转周期是88 天”的错误认知一一事实上，水星的自转周期是58.646天;

洛夫莱克斯等人借助它发现了蟹状脉冲星的周期性，为中子星的存在提供了第一个可靠的证据;

霍斯和泰勒借助它发现了第一个轨道周期为7.75 小时的脉冲双星系统，并精确测量了射电脉冲双星轨道周期性变化，间接证明了引力波的存在，验证了爱因斯坦的广义相对论;

还通过频率调制的无线电脉冲一次性向太空发射人类信息，信息历经2.5 万光年抵达MM13球状星团。

天边有颗“南仁东星”

1993年的日本东京，正在召开的国际无线电科学联盟大会上，多国科学家呼吁，在全球电波环境继续恶化前必须建造新一代射电望远镜，接受更多来自太空的讯息。

当时，中国最大的同类装置口径不过30米。

天眼到底是个多大的工程？用中国天眼馈源支撑系统高级工程师杨清阁的话说，它大到“漫山遍野”，但它又是一个极“细”的工程，600 多米尺度结构，馈源接收机在天空中跟踪反射面焦点的位置误差不超过10 毫米。

曾在日本国立天文台担任客座教授、享受世界级别科研条件和待遇、时任北京天文台副台长的南仁东站了出来说，中国应当承担这个责任，坚定地表示“我得回国”。

没有多少人看好南仁东的这份雄心壮志。大家知道，这在当时是世界独一无二的尖端项目。

我国西南地区的大山里有建设天眼的极佳地理条件。众多方圆数百米的小山谷被山体环绕，天然地阻挡了外面的电磁波。

从1994年到2005年，南仁东和他的团队走遍了贵州大山里数百个窝凼。乱石密布的喀斯特山中没有路，他们只能从石头缝里的灌木丛深一脚浅一脚地挪过去。

一次，南仁东勘察窝凼时遭遇瓢泼大雨，雨水裏着泥沙形成泥石流顺坡而下。南仁东见识过泥石流的历害，连忙吞下一颗救心丸，连滚带爬地回到垭口。

“大山没有路，我们走的次数多了，便成了路。”中国天眼台址与观测基地系统总工程师朱博勤回忆，十几年来，综合尺度规模、电磁波环境、生态环境、工程地环境等因素，南仁东团队最终从391 个备选洼地中选中了条件最适宜的大窝凼。

对待科学研究，南仁东同样无比严谨，天眼没有哪个建设环节能忽悠得了他。工作伊始，要建一个水窖，施工方送来设计图纸，他迅速标出几处错误后打了回去。施工方惊讶了，搞天文的咋还懂土建？

选址难，立项难，建设难上加难。南仁东和他的团队解决了一个又一个难题， 而这些难题在全球几乎没有经验可以借鉴， 他们只能埋头进行技术攻关。

在南仁东看来， 天眼建设不受经济利益驱使，而是源自人类的创造冲动和探索欲望。他一心想让中国天眼早日建成， 因为天眼的英文名字“FAST”正是快的意思。

“南老师对自己的要求太高，他要吃透工程建设的每个环节。”南仁东的学生曾恒谦说，“如果再给老师一次机会，选择要天眼还是多活10 年，他肯定还会选天眼。”

2016年9月25日，中国天眼建成。南仁东倾尽心血，铸造了一个大国重器。

次年9月15日， 南仁东永远地闭上了双眼。

2018年10月15日， 中国科学院国家天文台首次公布“南仁东星”国际命名公报，正式将国际永久编号第79 694 号小行星命名为“ 南仁东星”，以纪念他为国际天文事业和中国天眼作出的卓越贡献。

2019年9月17日，经国家主席习近平签署命令，授予南仁东“人民科学家”国家荣誉称号。

中国天眼一骑绝尘

中国天眼坐落在贵州黔南布依族苗族自治区平塘县大窝凼的喀斯特洼坑中。这是一座拥有我国自主知识产权、历时22年、耗资6亿元人民币建成的世界迄今最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

中国天眼是由46万块三角形单元拼接而成的球冠形主反射面，内置可移动变位的复杂结构索网系统。与被评为人类世纪10大工程之首的阿雷西博射电望远镜相比，其综合性能提高了10倍，将在未来二三十年保持领先地位。

中国天眼反射面在导源和跟踪过程中采用实时调整形态，在观测方向形成300米口径瞬间抛物面以汇聚电磁波，这是与阿雷西博射电望远镜固定反射面的根本区别。作为高精度天文仪器的重要组成系统，中国天眼反射面成型精度达到了毫米级。

下面这组数据，可以量化中国天眼的先进和雄伟：

500米——口径500米，是目前世界上建成的最大口径球面射电望远镜;

134米——从索网最高点到最低点的高差;

168米——修建了6座馈源塔，最高的有168米，6座塔均建在落差达百米的山崖上;

30个——球面面积相当于30个足球场那么大;

1600米、4200吨——整个钢结构圈梁长度达1600米，消耗钢材4200吨;

8893根、1300吨——反射面索网结构由8893根高强度、高精度钢索连接而成，形成重达1300吨的索网;

4400块——4400块主动反射单元拼装在索网上，组成反射面;

2.5倍——比阿雷西博射电望远镜的反射面大2.5倍。

天眼的灵敏度可以用精准一词来形容。权威数据表明，中国天眼的灵敏度比德国波恩100米望远镜和美国阿雷西博300米望远镜均高出至少10倍。具有这样的灵敏度，如果有人在月球上打电话甚至窃窃私语，中国天眼也能听得一清二楚。

自进入调试期，中国天眼的表现就足以让世人折服。

一般情况下，传统大型射电望远镜的调试周期不会短于4年，但中国天眼不仅大大缩短了调试周期，还取得了一批有价值的科学成果。截至2020年10月，中國天眼探测到146颗优质脉冲星候选体（102颗得到认证），实现了目前国际最高精度的脉冲星观测。找到了一例新的重复性快速射电暴，为利用脉冲星计时阵列探测低频引力波提供了重要条件。同时，实现了偏振校准，利用新方法探测到了银河系星际磁场。这一切充分证明，在探测脉冲星领域，中国天眼达到了国际一流水平。

地球“瞎”了一只眼

2020年12月1日7时55分，随着一声巨响，阿雷西博射电望远镜4号塔第2根钢缆断裂，820吨重的接受器平台瞬间扯断了几乎所有连接它的固定线缆，坠落在反射盘上。释放了支撑平台的压力后，几座拉力塔也轰然倒下，无数碎片迸发开来，散布在坑洞上空。阿雷西博射电望远镜坍塌了……

事情发生后不久，相关部门和相关人士作出判断：阿雷西博射电望远镜走到今天，并不出乎人们的意料。

由于财政状况不佳，美国相关部门在早几年前就缩减了在“行星雷达”上的开支，减少了对阿雷西博射电望远镜的财政支持。在2001年至2007年开支大幅减少的情况下，阿雷西博射电望远镜的天文经费又从2007年的1050万美元缩减到2011年的400万美元。

屋漏偏逢连夜雨。阿雷西博射电望远镜不仅在千禧年后连遭财政打击，环境灾害对它的伤害也是“怕啥来啥”。

2014年1月，一场6.4级地震损坏了阿雷西博射电望远镜的一根主电缆，已然为它6年后的命运埋下了伏笔。

2017年9月杀死了数百人的第4类风暴玛丽亚飓风导致阿雷西博射电望远镜反射盘损坏——一条电缆在大风中断裂，随之狠狠砸在下方的反射盘上。此后，又发生了两起类似事故。

此外，阿雷西博射电望远镜的坍塌与其自身结构有着必然的联系。当初为了扩大探测范围，设计者将它的直径从原本的305米硬生生地扩大到350米，直接导致了阿雷西博射电望远镜的不稳定。

这些因素合力将英雄迟暮的阿雷西博射电望远镜送上了不归路。地球曾经拥有的两只天眼中的一只就这样“瞎”了。

当今世界舍我其谁

从古至今，人类从未停止过对苍穹的探索。正当一些科学家为阿雷西博射电望远镜的猝然离去惶惶不安时，中国天眼于3月31日正式向全球开放，并在5月15日前向全世界征集观测项目建议。

消息一传出，就引起天文领域“最强大脑”们的密切关注。天体物理学家、2006年诺贝尔物理学奖得主斯穆特三世和1979年诺贝尔物理学奖得主谢尔顿分别对中国媒体表示，中国天眼是最大最灵敏的射电望远镜，相信它能超过阿雷西博射电望远镜，为世界天文学作出更大贡献。

中国天眼向全球开放，让谢尔顿很是兴奋。在他眼里，这是天文学研究的福音。他说，人类有史以来最大的望远镜——平方公里阵列射电望远镜（SKA）预计在2028 年投入观测。此前，中国天眼是世界射电天文学不可或缺的大科学装置。据了解，我国是SKA 的主要成员国。未来，中国射电天文设备的布局是，自主研究与国际合作相结合，单口径与涉阵列协同发展。

斯穆特三世认为，诺贝尔奖来自伟大的想法和发现。当一个新的装置投入使用，其观测范围远远超过以前所知晓的范围时，很有可能发现一些新事物。他相信，全世界至少有一支优秀团队能通过中国天眼的观测获得重大成果，摘得诺贝尔奖。

世界将引领全球射电天文科研的重任交给了中国天眼，我们责无旁贷;历史将重新站上人类天文科学之巅的重任交给了中国，我们将一往无前……