FAST:射电望远镜中的传奇

王麟

又到了周末读书时间，在爸爸的书房里，小天正抱着一本科学画册看得津津有味，这时候姐姐小菲走了进来，问道：“你看什么书呢？这么入迷。”

小天兴奋地将画册摊在小菲面前，说道：“这是讲古代航海的一篇文章，里面介绍的古代航海导航技术，真的很有趣啊！”

“古人航海用什么导航呢？”小菲又问道。

“如果在内海航行就用灯塔导航，如果到了外海，大船航行就需要指南针的帮助了。”小天回答道。

这时候爸爸走了进来，问了一句：“如果将来我们人类去宇宙中航行，那用什么导航啊？”

小菲和小天一瞬间都瞪大了眼睛，小天说：“是呀，茫茫宇宙，没有灯塔，也用不了指南针，宇宙飞船用什么来导航呢？”

看到姐弟俩脸上困惑的表情，爸爸笑了起来：“当然是用‘宇宙灯塔导航啦！‘宇宙灯塔就是脉冲星，那是一种可以规律发出强大电磁波的星体，就像浩瀚宇宙中的精准时钟，完全可以为人类探索外太空提供导航帮助。”

爸爸是个天文爱好者，谈起脉冲星来滔滔不绝。介绍完脉冲星的特征，爸爸又问了一个问题：“知道哪个国家发现的脉冲星最多吗？”

小天和小菲摇了摇头，爸爸也不再卖关子，直接公布答案：“是中国发现的最多。这都要归功于咱们的FAST，也就是被称为中国天眼的500米口径球面射电望远镜。它从2016年建成至今，已经发现了超过740颗脉冲星，让我国成为脉冲星研究领域的佼佼者。除了脉冲星，FAST还发现了大量射电暴等宇宙事件，使得我国相关科研团队迅速成为国际快速射电暴的核心研究力量。”

爸爸看到两个孩子求知若渴的样子，就说：“今天我就给你们讲讲FAST的故事吧！”

小菲和小天拍手称好。

“先告诉你们一个不幸的消息：2020年，使用了57年之久的350米口径的全球第二大球面射电望远镜——美国的阿雷西博望远镜坍塌损毁了，这是科技界的重大损失。因此，FAST现在是最先进的，至少领先其他国家二三十年！”爸爸说道。

小天和小菲的好奇心被激发出来，争先恐后地问道：“爸爸，FAST到底有多先进呢？”

爸爸答道：“第一个先进之处就是它的口径大，整整500米，占地约30个足球场的面积，填满了贵州省整整一个巨大的圆形山坳（00）。第二就是它的反射面大，总面积约25万平方米，由4450块半透明半镂空的三角形反射面板组成。每块反射面板边长为10.4～12.4米，重量为427～482.5千克，而厚度只有约1.3毫米。这些反射面板是可动的，从而使整个球面可以自动调整方向，能让接收的电磁波自动聚焦，更好地接收信息。它第三个令人惊叹的本领就是具有极高的灵敏度，它的灵敏度相比100米口径的德国波恩射电望远镜提高了10倍，能接收137亿光年以外的电磁波信号，这个距离接近目前可视宇宙的边缘呢。”

小天问：“这么先进的望远镜，咱们国家一定花了不少钱吧？”

爸爸点点头：“造价有几十亿元人民币吧。不过FAST带来的科学收获可是无价的，不是用金钱能衡量的。它在长达22年的筹备和建造期间解决的技术难题真值得大书特书！”

“建造FAST都解决了哪些技术难题？”小菲追问道。

爸爸继续讲道：“建造FAST首先要解决选址问题。射电望远镜需要搜索来自宇宙深处天体发出的微弱无线电信号，不能有一丝一毫的外界干扰，因为这些信号实在太微弱了！微弱到什么程度呢？全世界70年来所有射电望远镜接收的信号总能量还翻不动一页书！因此，射电望远镜必须安装在远离城市、人口稀少的地方，保证环境足够安静，没有人类活动干扰。经过长时间的勘探、比较，科学家们最终选择了贵州省平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地作为FAST的台址。这个洼地直径600米，深达300米，正好与FAST的口径吻合，大大降低了工程造价。

“FAST要解决的第二个技术难题就是为4450块反射面板找一个安全、稳定的支撑结构。刚才说一块反射面板就有400多千克重，那么4000多块面板的重量，怎么才能撑住呢？不仅要撑住，还想实现反射面板可改变角度这个世界首创的设计，这要求构成索网的钢索像弹簧一样有一定的伸缩性，还要求每根钢索的加工精度要达到1毫米，这样的要求远远超越了现有标准，国际上未有先例。科学家们持续全方位地改进索体工艺，一根钢索要进行200万次疲劳测试。经历了近百次的失败后，他们终于成功解决了这个关键问题，实现了世界创举，研制出了世界上跨度最大、精度最高的索网结构，也是世界上第一个变位工作的索网体系。它由6670根主索和2225根下拉索构成，跨度达500米。

索具是指为了实现物体挪移系结在起重机械与被起重物体之间的受力工具，以及为了稳固空间结构的受力构件。索网是土木工程中的专有名词，可简单理解为网状的索具。

“FAST解决的第三个技术难题就是望远镜反射面板的设计。考虑到各种环境因素和风险意外，最终设计的反射面板都有小孔、透光率为50%，这样既可以防止镜面上积水影响FAST探测信号的性能，又能将雨水渗漏到望远镜下面的植被上面，不影响植物的生长。

“FAST解决的第四个技术难题就是馈源舱的设计。如果说FAST是觀测深空的巨眼，那么馈源舱就犹如这只眼睛的瞳孔。馈源舱就是射电望远镜的接收机，用来接收反馈的无线电信号。安放信号接收机的馈源舱重约30吨，悬吊在500米口径球面的中央，通过周边的6个支撑塔以及6根牵引着馈源舱的钢索来进行悬吊和支撑。大多数传统射电望远镜的馈源舱位置是固定的，或仅可以微调。悬挂于半空中、可移动的馈源舱是FAST的又一大创新呢！”

小天和小菲都听愣了。小菲感叹道：“科学家们真了不起啊，解决了这么多难题。”小天接着说：“FAST简直是现代工程奇迹啊！”

“是呀！FAST涉及天文、测量、控制、电子、机械、材料等众多学科，凝结了20多家科研机构、上百名科研人员的心血。除了发现更多的脉冲星，建立好宇宙导航系统，助力人类实现星际旅行的梦想外，它还将进一步在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等研究前沿发挥巨大作用，帮助科学家们勇攀世界科技高峰。如今这台射电望远镜已经向全球天文学界开放使用，这也是中国为世界科技发展做出的又一重大贡献吧！”爸爸自豪地说。

为了解答小天和小菲心中关于“建造FAST花费巨大，到底值不值”的疑问，爸爸带他们去拜访了中国科学院国家天文台研究员、FAST首席科学家李菂。李菂给孩子们分享了他对FAST价值的认识：

银河系中普遍存在着大规模磁场，我们人类不知道它是从哪儿来的。今天，我们应该已经摸到了它的“边缘”，而这很大程度上就是依靠科学研究設备、依靠FAST这个平台实现的。

FAST的英文缩写是“快”的意思，但实际上FAST是一个比较“慢”的望远镜，因为它的控制移动特别复杂。我们可以用它来做巡天，虽然速度相对会慢一些，但是非常有用。

目前天文学的很多核心目标都需要通过巡天来实现。以前，我们做一个科研项目可能要用10年，那三四个项目就要做三四十年。现在不一样了，我们有FAST，只要完整扫过天空一次，就可以同时采集能够适用于不同科学目标的数据了。在过去半个世纪的射电天文学领域，没有人能实现这个想法。现在，基于“高时频噪声注入”这个中国原创技术，FAST能够实现“多科学目标同时巡天”。我们在研究中也取得了一系列精确测量宇宙电磁场特征的重要发现，有代表性的有两个。

一个是对银河系星际空间的磁场测量。20年来，我和我的同行们都认识到了它的科研价值，但是一直都没有成功。直到2021年，我们才精确测量到了星际空间中非常微弱的磁场，这是对恒星形成具有里程碑意义的发现。

另一个是我们现在没有办法解释的非常剧烈的宇宙爆炸现象——快速射电暴。快速射电暴出现的时间非常短，蕴含的能量非常巨大，千分之几秒释放出的能量就足够支撑全球人类用一万亿年。

宇宙中的大尺度磁场是怎么来的？还有关于这个问题的一系列的衍生效应，比如太阳是一个飘在空间里的核聚变反应堆，那么它是怎么把气体“捏”到一块的？太阳周围怎么又出现了地球？地球上怎么又出现了生命？这里的生命怎么又发明了手机？……整个发展过程中的每一步，磁场都很重要！

越困难的目标，或者说需要我们探索的时间越长的目标，当它实现的时候，给我们带来的幸福感、满足感就越强烈。我们取得的这些发现，FAST功不可没。它不光大，光路也非常干净，能发现来自宇宙的电磁场的精细特征。没有FAST的话，我们可能再工作20年也难有收获。FAST是把人类的“感官总和”往前挪了一大步，让人类能够更清晰地观测宇宙，相信宇宙的丰富多彩也不会让观测者失望。

现在，FAST的运行已经走上正轨，各种数据的采集、存储、传输等都已经形成了一个可以远程处理的系统。FAST的设计寿命是30年，根据它现在的运行情况来看，用50年应该是没有问题的。我之前参加过美国航空航天局和欧洲航天局的一个联合项目，它花费了10亿美元数量级的资金，经过了近20年的准备和建设，那台射电望远镜只使用了两年半。这样看，FAST的寿命已经很长了。科学的探索算的不是这个账，一个大型的科学装置不管花费了多少钱、能够用几年，它改变了人类对宇宙的认知，我觉得就是成功的、或者说就是值得的。