賴迪輝

1608年，荷蘭眼鏡商利普希制造了人類歷史上第一架望遠(yuǎn)鏡，意大利物理學(xué)家伽利略在 1609年發(fā)明了世界上第一架能放大32倍的望遠(yuǎn)鏡，并用它對(duì)準(zhǔn)了月球，天文望遠(yuǎn)鏡因此而誕生。隨著人類技術(shù)的進(jìn)步，天文望遠(yuǎn)鏡不斷衍生出新的分支類型，射電望遠(yuǎn)鏡應(yīng)運(yùn)而生。曾經(jīng)，世界領(lǐng)先的射電望遠(yuǎn)鏡總是落戶國(guó)外，直到2016年，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）在我國(guó)貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼建成，終結(jié)了這段歷史。FAST被譽(yù)為“中國(guó)天眼”，由我國(guó)天文學(xué)家南仁東于 1994年提出構(gòu)想，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)建設(shè)，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是現(xiàn)在世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

FAST具體參數(shù)

口徑：500米

高差：173米

面積：約等于30個(gè)足球場(chǎng)

性能指標(biāo)：靈敏度是德國(guó)波恩100米望遠(yuǎn)鏡的10倍，綜合性能是美國(guó)阿雷西博300米望遠(yuǎn)鏡的10倍

建設(shè)時(shí)間：22年（1994 年至2016年）

觀測(cè)系統(tǒng)

對(duì)整個(gè)FAST進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制與基準(zhǔn)校對(duì)，控制觀測(cè)的精度

主動(dòng)反射面

近30個(gè)足球場(chǎng)大，由4450塊三角形半透明半鏤空反射面板組成，每塊重450千克左右，厚度約1.3毫米，布滿小孔

饋源艙

采用柔索支撐技術(shù)，拖動(dòng)饋源艙在球冠面運(yùn)動(dòng)，不存在方向上的死角，同時(shí)利用艙內(nèi)Stewart平臺(tái)實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)高精度定位

索網(wǎng)

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)口徑500米，共有6670根主索，2225個(gè)主索節(jié)點(diǎn)和相同數(shù)量的下拉索，總重1300多噸，主索節(jié)點(diǎn)位置精度達(dá)到5毫米

圈梁

鋼結(jié)構(gòu)圈梁長(zhǎng)度1600米，消耗鋼材5600噸

存儲(chǔ)系統(tǒng)

短期內(nèi)運(yùn)算速度每秒200萬(wàn)億次以上，存儲(chǔ)容量需求10PB以上

饋源支撐塔

共6座，最高168米，用來(lái)支撐30噸重的饋源艙

射電天文望遠(yuǎn)鏡的誕生與射電天文學(xué)密不可分。射電中“電”是無(wú)線電波的意思，進(jìn)一步說(shuō)，射電天文學(xué)是研究天體發(fā)出的無(wú)線電信號(hào)的學(xué)科，而射電信號(hào)的發(fā)現(xiàn)則是個(gè)偶然事件。1931年，在美國(guó)新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室專門(mén)負(fù)責(zé)搜索和鑒別電話干擾信號(hào)的美國(guó)人楊斯基發(fā)現(xiàn)來(lái)自銀河中的射電輻射。當(dāng)時(shí)他使用的是長(zhǎng) 30.5米、高3.66米的旋轉(zhuǎn)天線陣。此后，射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展史便是不斷提高分辨率和靈敏度的過(guò)程。楊斯基于 1950年逝世，年僅45歲。在他短暫的一生中，他一直致力于射電天文學(xué)的研究，即使是在世界大戰(zhàn)期間也沒(méi)有中斷。他被認(rèn)為是射電天文學(xué)的奠基人。

自從楊斯基宣布接收到銀河的射電信號(hào)后，美國(guó)人雷伯潛心試制射電望遠(yuǎn)鏡，他在美國(guó)伊利諾伊州的自家后院架設(shè)起私人射電望遠(yuǎn)鏡，這是一架在第二次世界大戰(zhàn)以前全世界獨(dú)一無(wú)二的拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡。雷伯在 1938年成功確認(rèn)了楊斯基的發(fā)現(xiàn)，并于 1941年完成無(wú)線電頻率的巡天地圖，射電天文學(xué)從此誕生。雷伯被稱為“拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡之父”。在第二次世界大戰(zhàn)以后，由于建造軍用雷達(dá)而得到空前發(fā)展的微波通信技術(shù)轉(zhuǎn)移到射電天文學(xué)，推動(dòng)了射電天文學(xué)的發(fā)展，陸續(xù)建成了一批大型毫米波和厘米波射電望遠(yuǎn)鏡。

在光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的時(shí)代，人們僅能看到天體的光學(xué)形象，射電望遠(yuǎn)鏡向人們展現(xiàn)了天體的另一面——“射電形象”。光波容易受到塵埃等物種的干擾，而射電信號(hào)則基本不會(huì)受到上述干擾，因此它的傳播范圍很大。射電天文學(xué)為現(xiàn)代天文學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)。20世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)——類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射，都是用射電手段觀測(cè)到的。迄今有10項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予天文學(xué)研究領(lǐng)域，射電天文學(xué)成就了其中6項(xiàng)，充分顯示了這門(mén)新興學(xué)科的強(qiáng)大生命力。

射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙示意圖

在FAST誕生之前，世界上很多國(guó)家都對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)傾注了大量熱情，例如位于美國(guó)新墨西哥州的甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡，它由27臺(tái)25米口徑接收器構(gòu)成。位于赤道附近的波多黎各的美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，反射面口徑350米，是FAST建成前全世界最大的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，樣子很像FAST的孿生兄弟?？上У氖牵绹?guó)國(guó)家自然科學(xué)基金表示將逐年削減阿雷西博的經(jīng)費(fèi)，如今阿雷西博銹跡斑斑，更像一個(gè)垃圾場(chǎng)，這位昔日明星的窘境令人唏噓不已。此外，還有南半球最大的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡——口徑64米的澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，德國(guó)波恩的100米口徑可轉(zhuǎn)動(dòng)拋物面射電望遠(yuǎn)鏡等。

20世紀(jì)60年代，我國(guó)的射電天文學(xué)研究起步時(shí)，只有一些觀測(cè)太陽(yáng)射電的小型設(shè)備。在老一輩天文學(xué)家的不懈努力下，我國(guó)相繼建成了一批射電望遠(yuǎn)鏡，包括北京密云綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡、青海德令哈13.7米毫米波射電望遠(yuǎn)鏡、上海佘山65米射電天文望遠(yuǎn)鏡、烏魯木齊南山25米射電望遠(yuǎn)鏡等。因?yàn)樯潆娞煳牡募夹g(shù)發(fā)展需求，上海天文臺(tái)建設(shè)了VLBI（甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)）實(shí)驗(yàn)室，紫金山天文臺(tái)建設(shè)了毫米波與亞毫米波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家天文臺(tái)總部建設(shè)了射電天文實(shí)驗(yàn)室并在后來(lái)發(fā)展成為大射電望遠(yuǎn)鏡技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。為充分發(fā)揮國(guó)內(nèi)射電天文設(shè)備的觀測(cè)效益、促進(jìn)射電技術(shù)的發(fā)展，在各臺(tái)站及其實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)院還成立了射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

2016年FAST正式建成后，到目前已有十幾個(gè)國(guó)家的上百名科學(xué)家前往或申請(qǐng)前往當(dāng)?shù)剡M(jìn)行科研活動(dòng)。FAST的建設(shè)還帶動(dòng)了貴州省的裝備制造業(yè)、鋁制品深加工業(yè)的發(fā)展，貴州高校也陸續(xù)建立了天文學(xué)人才培育基地。平塘打造了以天文科普為主題的特色旅游基地——國(guó)際天文小鎮(zhèn)，吸引了大量游客前來(lái)，帶動(dòng)了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。

太空探索不僅給人類提供了一面審視自己的鏡子，還為人類帶來(lái)全新的技術(shù)、挑戰(zhàn)和積極進(jìn)取、樂(lè)觀自信的精神。FAST成就所代表的“追趕、領(lǐng)先、跨越”的科研精神，將成為推動(dòng)天文學(xué)不斷前進(jìn)的內(nèi)生動(dòng)力，成為人類科技創(chuàng)新永不熄滅的火種！

SKA計(jì)劃

由于射電望遠(yuǎn)鏡的特殊工作原理，隨著人類無(wú)線電通信技術(shù)的日益發(fā)展，射電望遠(yuǎn)鏡很可能越來(lái)越難以“聽(tīng)清”來(lái)自宇宙的信號(hào)。于是，中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、澳大利亞、法國(guó)、德國(guó)、印度等 10個(gè)國(guó)家的射電天文學(xué)家提出一個(gè)超級(jí)大射電望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，希望趕在地球無(wú)線電環(huán)境惡化之前盡可能發(fā)現(xiàn)更多的天體射電信號(hào)。該計(jì)劃取名為“Square Kilometre Array”，簡(jiǎn)稱 SKA計(jì)劃，它是FAST項(xiàng)目最初的建造原因。

“天眼”選址學(xué)問(wèn)多

FAST之所以建在貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼的喀斯特洼坑中，主要有以下原因：

1.大窩凼地貌最接近FAST設(shè)計(jì)造型，工程開(kāi)挖量比較小。

2.喀斯特地貌特征可以保障雨水向地下滲透，不會(huì)在表面淤積而損壞、腐蝕望遠(yuǎn)鏡。

3.使用射電望遠(yuǎn)鏡時(shí)需要將無(wú)線電干擾盡量減少到最低，大窩凼周邊 5千米左右范圍內(nèi)沒(méi)有鄉(xiāng)鎮(zhèn)，無(wú)線電環(huán)境理想。

4.大窩凼洼地邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不會(huì)坍塌，也沒(méi)有大的地震影響。

FAST發(fā)現(xiàn)的兩顆脈沖星示意圖

“天眼”的大發(fā)現(xiàn)

2017年10月，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)了兩顆新脈沖星，距離地球約為 4100光年和1.6萬(wàn)光年，這是我國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)脈沖星，也是世界上發(fā)現(xiàn)的最遠(yuǎn)的脈沖星，這項(xiàng)成果足以證明FAST功能的強(qiáng)大。這一發(fā)現(xiàn)立刻引起了全球天文學(xué)界的關(guān)注，連西方媒體都發(fā)表評(píng)論稱“這是國(guó)際天文學(xué)界最令人激動(dòng)的一個(gè)事件?！苯刂聊壳?，F(xiàn)AST已經(jīng)接收到眾多遙遠(yuǎn)宇宙信號(hào)，探索到了多達(dá)6顆脈沖星。它的研究成果還將助力觀測(cè)暗物質(zhì)和暗能量以及引力波等現(xiàn)象。毫不夸張地說(shuō)，F(xiàn)AST的出現(xiàn)，讓中國(guó)天文學(xué)站到了世界天文學(xué)前列。