直径500米的眼睛

人类仰望上苍时，总是在想：我们是谁，我们从哪里来，我们是否孤独……在茫茫宇宙中，是否还存在着其他的文明社会呢？哲学家罗素说“这个问题的解答有两个，无论是有还是无，都会使我们感到同样的惊奇。”

　　在神秘而深邃的星空下，世界上最大的单口径射电望远镜FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）即将傲然屹立在这崇山峻岭之中。它就像一只望向太空的眼睛，协助我们去探索宇宙的奥秘。为此，《知识就是力量》特派记者前往中国科学院国家天文台FAST工程办公室进行采访。在简洁宽敞的会议室中，FAST工程办公室工作人员向记者就FAST工程从立项、施工到建成后的作用等方方面面进行了介绍。

　　提到望远镜，我们都不会感到陌生，它能够将远方的景物拉近到眼前，使人将其看得清清楚楚。现在的光学天文望远镜，已经可以使人们通过可见光波段观测距地球十分遥远的太阳、月亮、恒星、流星和彗星。那么，射电望远镜是什么？

　　FAST工程办公室（以下简称办公室）：我们知道，光和广播电视信号都是以光速传播的电磁波，区别只在波长。千百年来人类只是通过可见光波段观测宇宙，而实际天体的辐射覆盖了整个电磁波段。射电辐射是天体无线电波段（波长3000米～0.3毫米）的辐射，可以说，这个发现开创了通过无线电波研究天体的新纪元。为什么这么说呢，由于无线电波可以穿透宇宙中大量存在而光波又无法通过的星际尘埃物质，因而射电望远镜可以透过星际尘埃，观测更遥远的未知宇宙，也可以对已知星际世界做更深入的了解。无线电波基本不受光照和天气的影响，射电望远镜几乎可以全天候、不间断地工作。

　　射电望远镜的基本结构包括收集射电波的定向天线，放大射电信号的高灵敏度接收机，信息记录、处理和显示系统等。来自太空天体的无线电信号极其微弱，70年来所有射电望远镜收集的能量还翻不动一页书。为了获得更多宇宙天体的信息，需要将射电望远镜的口径设计得尽可能大，但由于自重和风力等因素会引起的形变，传统的全可动望远镜的最大口径只能做到100米。

　　我国的FAST射电望远镜是何时被提上议程的？它与国际上其他射电望远镜相比，又有什么优势？

　　办公室：自20世纪60年代起，我国相继建成了一批射电望远镜。1993年，在国际无线电科学联盟大会上，包括中国在内的10国天文学家联合提出了建设新一代射电“大望远镜”的建议。1995年年底，以中国科学院北京天文台（现国家天文台）牵头，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，提出了利用中国贵州的喀斯特洼地，建造球反射面的“喀斯特工程”概念。在借鉴了国外大射电望远镜的经验后，中国天文学家进一步推进了“喀斯特工程”概念，提出要建造世界最大的单口径射电望远镜——500米口径球面射电天文望远镜。

　　和同类大口径射电望远镜相比，它具有三项“独一无二”的自主创新成果：

　　1.利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址，大大降低望远镜工程的造价；

　　2.在洼坑内铺设了数千块单元组成500米球冠状主动反射面，球冠反射面在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面，使望远镜接收机能与传统抛物面天线一样处在焦点上；

　　3.采用了轻型索拖动机构和并联机器人，实现了望远镜接收机的高精度定位。

　　全新的设计思路，加上得天独厚的台址优势，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。它拥有相当于30个足球场大的接收面积，将是国际上最大的单口径望远镜。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，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10大工程之首的美国阿雷西博300米射电望远镜相比，其综合性能提高约10倍。作为世界最大的单口径望远镜，FAST将在未来20～30年保持世界一流设备的地位。

　　可以预见，直径500米的FAST，一定将成为人类观测宇宙、探索宇宙的又一利器。可是，这个大家伙，到底是如何工作的？

　　办公室：射电天文学利用射电望远镜在无线电波段“观察”天体，射电望远镜的基本结构有三个主要部分—反射面、接收机和指向装置。传统的抛物面望远镜将入射的平面电磁波会聚到焦点上，而球反射面会聚成一段焦线，限制了宽频带全偏振接收机的应用。为克服这一困难，FAST球冠反射面在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面，使得馈源舱内的接收机能和传统抛物面天线一样放在焦点上。

　　FAST球反射面将分成4600块反射面单元，由促动器控制，实现反射面的主动变形。由于巨大的空间跨度，在接收机与反射面之间难以建立高精度的刚性连接。FAST采用光机电一体化的索支撑轻型馈源平台，加之馈源舱内的二次调整装置，实现接收机的空间定位。采用大范围、高精度、高采样率的测量与相应控制技术，完成望远镜的反射面主动变形和精确的指向跟踪。

　　在馈源舱内配置国际先进的高品质多波束接收机，收集反射面会聚的宇宙无线电波，通过宽带光纤传输到终端设备，分析获得的天体物理信息。

　　与美国阿雷西博300米望远镜相比，FAST灵敏度提高2.25倍，而且阿雷西博20°天顶角的工作极限，限制了观测天区，特别是限制了联网观测能力。

　　FAST主要建设内容包括：

　　台址勘察与开挖系统：台址勘察、台址开挖和边坡治理等

　　主动反射面系统：索网、反射面、促动器、健康监测等

　　馈源支撑系统：支撑塔、索驱动、馈源舱等

　　测量与控制系统：总控、主动反射面的测量与控制、馈源舱的测量与控制等

　　接收机与终端系统：接收机、终端设备、信号传输等

　　观测基地系统：观测楼及公用设施等

　　贵州多山，前往FAST工地的道路起伏跌宕，我们不禁会问，为什么要将FAST选址在贵州的大窝凼呢？建设FAST又会对当地的环境产生怎样的影响？办公室：之所以选择在“大窝凼”这么一个天然的巨型山坳中，主要是考虑到FAST的建造需要利用天然洼坑，而这种地貌只发育在喀斯特地区。从1994年开始，项目组就对贵州南部喀斯特地区进行了多学科的台址评估工作。在自然地理、地貌发育控制因素、洼地的形态特征、水文地质、工程地质、气象及电波环境等诸方面做了初步评估。众多国内外专家，包括两任前阿雷西博天文台台长，都曾到FAST预选区考察，FAST项目组的专家也于1999年访问了阿雷西博，大家一致认为贵州预选区洼地作为大型球面射电望远镜台址是世界上独一无二的。

　　在这众多的洼地之中，我们选中了400个洼地作为候选，将它们的资料输入数据库。之后，又根据洼地的开挖量、闭合程度、开口角、电波环境、交通、地震和冰雹等条件，选定贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼洼地为FAST台址。这里的边坡稳定，岩石有足够的承载强度；喀斯特地质条件可以保障雨水向地下渗透，不在表面淤积而损坏和腐蚀望远镜；无重大自然灾害记录；在大窝凼附近5千米半径之内没有一个乡镇，25千米半径之内也只有一个县城，10余年无线电干扰环境监测表明，大窝凼台址区有安静的电波环境、良好的可及性和隔离性，因此无线电环境最为理想；另外，贵州有一批电子工业企业，具备制造大型无线电天线的生产能力，运输方便，水电丰富，为FAST建造提供了优越的工程环境。

　　由于FAST项目的主要作用是进行观测和研究，环境的影响因素是比较单一的。另外，FAST对周边环境没有电磁污染，项目也没有敏感性污染环节。FAST运行过程中，将有上百名科技人员在台址区工作和生活，我们分析考虑了生活污水和垃圾的处理。生活污水将通过污水处理设施处理后达标排放，生活垃圾将定期收集运送至平塘县垃圾处理站统一处理。

　　办公室：自FAST立项以来，经历了紧张的研究与实验过程。目前已经安装好了圈梁和部分支撑塔，设备正在逐步进场，下一步就是安装索网和反射面。另外，除了现场的具体建设，系统的研发也在同时进行着。到了2016年，会进行望远镜系统联调。整个项目预计在2016年9月完工。

　　FAST工程是将科学研究与工程相结合，没有现成的规范和很成熟的技术，每一步都是极富开创性的。需要把科学构想和设计落实到实际的工程中去。在实际施工时，遇到了各种各样的问题，所以在不断地设计、更新、深化、研发。另外，工程的每一步进展，都推进着我国的科技发展。比如支撑塔就需要有非常好的稳定性；测量和接收系统都要求有非常高的精度。在施工工艺上，也一直在研究着新型的材料和工艺。比如由于索疲劳的要求，研发了超出国家规范的专用钢索；传输从馈源接收的宇宙无线电信号到终端处理设备的光纤，因为馈源一直在移动，因此光纤也始终处在不断弯折的状态下，所以单独研发了这种新型光纤。

　　可以说，FAST的研制和建设，体现了我国自主创新能力，还将推动我国在天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。

　　看来，建造这样一架世界一流的射电望远镜，背后是无数科研人员、技术人员、工程人员的不懈努力。那么，建成的FAST，除了寻找地外文明、观察宇宙，它还有着怎样的使命？

　　办公室：总的来说，建成后的FAST将在基础研究众多领域，例如宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等方向提供发现和突破的机遇，也将在日地环境研究、国防建设和国家安全等方面发挥不可替代的作用。

　　FAST将会在公众的科普教育方面发挥什么样的作用？

　　办公室：FAST的建设与运行将促进西部经济的繁荣和社会进步，符合国家区域发展的总体战略。有了FAST，边远闭塞的黔南喀斯特山区将变成世人瞩目的国际天文学术中心，成为把贵州展现给世界的新窗口；另外，国家天文台也联合了贵州大学、贵州师范大学等当地院校，联合培养技术人才，加大当地的高等教育力度，强化教育资源。另外，以FAST为主体的天文科普基地将推进我国的科普工作，激发青少年对天文、科学的热情，向公众与决策层进行宣传，为科教兴国的长远战略目标服务。

　　天文学是一门观测的科学，最好的学习方式就是亲自去体验。当你在望远镜的一端观察到宇宙的每一个角落，你的感觉会更加鲜明、印象也会越加深刻。

　　方式一：抬头仰望或购入一台不贵的天文望远镜，美丽的星空或许在自家的阳台上也能看得到。

　　方式二：参加国家天文台定期组织的公众科学日、夏令营或科普系列报告等活动。也可以在开放日到几大台址去亲自操作光学望远镜。

　　方式三：点击登录“虚拟天文台”（astrocloud.china-vo.org）。这里是许多国家的天文资源的集合。我们甚至可以自己下载数据，对其进行分析，还可将结果寄回国家天文台。也许有一天，你也会成为瞩目的天文学家！

　　方式四：参与路边天文（Go Star Partying）活动，与更多天文“大咖”一起，到远离城市的原野、山顶或是大农场，在伸手不见五指的环境中观星。你会猛然发现自己果然是生活在银河系当中，因为那浩瀚的星空正笼罩在你的头上。