徐令予

國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡(jiǎn)稱FAST）9月25日落成啟用。它被譽(yù)為“中國(guó)天眼”，是目前世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。它的落成啟用，對(duì)中國(guó)的天文物理研究和加快創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展具有重要意義。

400多年前，伽利略首次端起光學(xué)望遠(yuǎn)鏡朝向星空，為人類(lèi)觀測(cè)宇宙的奧秘開(kāi)啟了一個(gè)窗口。接著人們發(fā)現(xiàn)，天體除了發(fā)出可見(jiàn)光，還發(fā)出電磁波，于是用來(lái)觀察、接收和分析深空中電磁波的射電望遠(yuǎn)鏡就成為了天文學(xué)家的利器，它為人類(lèi)探索宇宙打開(kāi)了一扇大門(mén)。20世紀(jì)60年代天文物理學(xué)取得了四項(xiàng)非常重要的發(fā)現(xiàn)：脈沖星、類(lèi)星體、宇宙微波背景輻射和星際有機(jī)分子，這著名的“四大發(fā)現(xiàn)”都與射電望遠(yuǎn)鏡密切相關(guān)。

物理學(xué)告訴我們，光波就是波長(zhǎng)較短的電磁波，因而射電望遠(yuǎn)鏡和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實(shí)際上就是同一類(lèi)工具，它們檢測(cè)的只是不同波長(zhǎng)的電磁波。這有點(diǎn)像體溫計(jì)和氣溫表，它們的差別是測(cè)量溫度的不同區(qū)域而已。射電望遠(yuǎn)鏡的基本工作原理與反射式光學(xué)望遠(yuǎn)鏡沒(méi)有多大區(qū)別，都是依靠一塊大型反射鏡盡可能多地收集遠(yuǎn)處微弱的電磁波，然后反射聚焦到一個(gè)局部區(qū)域，最后把它記錄下來(lái)供進(jìn)一步的分析處理。

衡量射電望遠(yuǎn)鏡性能的基本指標(biāo)是空間分辨率和靈敏度，前者決定了區(qū)分天空中彼此靠近的射電點(diǎn)源的能力，后者反映了探測(cè)微弱射電源的能力。與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一樣，射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率和靈敏度主要決定于它的主反射鏡的尺寸，夸張點(diǎn)說(shuō)，那塊主反射鏡就像美女的眼睛，越大越好。

過(guò)去幾十年中，射電望遠(yuǎn)鏡的主反射鏡越做越大，但大有大的難處。要把直徑幾十米的反射鏡安裝在高塔上，讓它能轉(zhuǎn)動(dòng)自如，并且穩(wěn)定地跟蹤天體目標(biāo)，這在技術(shù)上有許多的困難。

上世紀(jì)60年代中期，美國(guó)在中美洲的波多黎各利用一塊天然洼地建成了直徑305米的射電望遠(yuǎn)鏡，它保持“最大口徑射電望遠(yuǎn)鏡”的冠軍稱號(hào)長(zhǎng)達(dá)幾十年。這次在中國(guó)貴州平塘山區(qū)建成的射電望遠(yuǎn)鏡的孔徑為500米，美國(guó)在波多黎各建造的射電望遠(yuǎn)鏡只好屈居亞軍了。

如此巨大的主反射鏡，自重都在數(shù)千噸以上，把它們放置于活動(dòng)支架上讓其轉(zhuǎn)動(dòng)，這條路根本走不通?？尚械霓k法是利用天坑似的洼地，首先造一個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的圓環(huán)，然后把反射鏡球面固定在圓環(huán)上。通俗地講，F(xiàn)AST像是一口大鍋，洼地則是支撐這口大鍋的鍋架?，F(xiàn)在的關(guān)鍵是如何讓這塊主反射鏡可以改變觀測(cè)方向和跟蹤被測(cè)的天體。這就涉及到中國(guó)FAST自主創(chuàng)新的兩項(xiàng)核心技術(shù)：“饋源支撐系統(tǒng)”和“主動(dòng)反射面單元”。

中國(guó)的FAST是球面形射電望遠(yuǎn)鏡，其主反射鏡的支撐面做成球形，饋源被六根柔性懸索吊掛在離主反射鏡近百米的高空，饋源在同心球面移動(dòng)時(shí)與主反射鏡基準(zhǔn)面保持等距，其定位精度達(dá)毫米級(jí)。而主反射鏡做成分布可調(diào)單元，確保對(duì)饋源的每個(gè)瞬間形式拋物面，使有效反射面上的所有入射電磁波以點(diǎn)方式聚集于饋源上。從饋源得到的訊號(hào)經(jīng)前置低噪聲放大器放大后轉(zhuǎn)換成中頻，然后通過(guò)懸掛在柔性懸索上的光纖送至訊號(hào)處理中心。

建設(shè)FAST射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)天文物理學(xué)研究的意義十分明顯，本文不再細(xì)述，這里有必要強(qiáng)調(diào)它在其他一些相關(guān)領(lǐng)域中的作用。由于FAST對(duì)深空電磁波觀測(cè)的高分辨率和高靈敏度，它可參與中國(guó)航天工程中的測(cè)控系統(tǒng)，把中國(guó)空間測(cè)控能力由地球同步軌道延伸至整個(gè)太陽(yáng)系，也可用它來(lái)接收深空衛(wèi)星的通訊數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)的下載速率提高100倍！FAST還可作為非相干散射雷達(dá)接收系統(tǒng)，提供高分辨率和高效率的地球中高層的大氣、電離層和地磁場(chǎng)的有關(guān)參數(shù)，為子午工程（大型空間環(huán)境地基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）作出貢獻(xiàn)。

大型天文臺(tái)的選址從來(lái)就是一個(gè)嚴(yán)肅的課題。這有點(diǎn)像男女相親，選定合適的地點(diǎn)關(guān)系著天文臺(tái)的一生一世。

這個(gè)為世人矚目的射電望遠(yuǎn)鏡建在中國(guó)貴州省黔南州平塘縣大窩凼洼地，天坑似的洼地與500公尺反射鏡地形匹配，減少了施工工程量，大窩凼的喀斯特地質(zhì)特性可以避免雨水積聚導(dǎo)致天災(zāi)。大窩凼附近沒(méi)有集鎮(zhèn)和工廠，在5公里半徑之內(nèi)沒(méi)有一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25公里半徑之內(nèi)只有一個(gè)縣城，遠(yuǎn)離各類(lèi)人為電磁污染，是極為理想的選址。

把目前世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡選定在貴州平塘的山洼里真是棋高一招。除了媒體的報(bào)道，我對(duì)這個(gè)地區(qū)還有更深入的了解。貴州黔南地區(qū)冬暖夏涼，氣溫長(zhǎng)年在20攝氏度上下，大型反射鏡面金屬材料的熱脹冷縮問(wèn)題容易得到控制。試想一下如果把它建在華北或東北，一系列的工程問(wèn)題定會(huì)讓建設(shè)者頭疼。北國(guó)的冬天，千里冰封，萬(wàn)里雪飄，屆時(shí)神奇的天眼大約也只能閉目冬眠了。而且黔南地區(qū)風(fēng)速小，風(fēng)向穩(wěn)定，這點(diǎn)也很關(guān)鍵，否則跨度500米由六根柔性懸索吊掛在100米高空的饋源真會(huì)讓人心憂！還有一點(diǎn)更為重要，貴州不是地震多發(fā)地帶，大型精密工程建在四川、云南就不太合適。順便提一下，正是因?yàn)閾碛羞@些得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，貴州已經(jīng)成為許多跨國(guó)公司建立云端服務(wù)中心的首選地。