揭秘全球最大“鍋蓋”：4450個反射單元拼出全球最大最強“天眼”

新華社貴陽７月３日電

新華社記者

還記得“鍋蓋天線”長什麼樣嗎？

２０１６年７月３日，直徑５００米、迄今全球最大的“鍋蓋”在貴州喀斯特天坑中架設完成。

它就是５００米口徑球面射電望遠鏡，世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠鏡。

它被稱為“天眼”，用來傾聽宇宙深處聲音、觀測宇宙奧秘。

從老式電視上的雪花點説起

當老式電視收不到信號時，屏幕上不是一片空白，而是閃爍著密密麻麻的雪花點。其實，這些雪花點就是電磁波信號，其中也包括來自太空的射電輻射。

１９３３年，美國貝爾實驗室的科學家用一台靈敏度很高的接收機意外發現了來自銀河中心穩定的射電輻射，從此開啟射電天文學的大門。

用過“鍋蓋天線”的人知道，鍋蓋口徑越大，電視畫面也越清晰。對於射電望遠鏡來説，口徑越大看得越遠。全世界的射電天文學家都追求建造更大口徑的“鍋蓋”，以提高射電望遠鏡靈敏度。

中國科學院國家天文臺研究員、５００米口徑球面射電望遠鏡工程副經理彭勃説，射電望遠鏡在設計建造之初就曾遇到經費緊張，但不管減什麼科學家們都不願縮小望遠鏡的口徑。

“宇宙空間混雜各種輻射，遙遠的信號像雷聲中的蟬鳴，沒有超級靈敏的‘耳朵’，根本就分辨不出來。”中國科學院國家天文臺５００米口徑球面射電望遠鏡工程首席科學家、總工程師南仁東説。

此前，世界上最靈敏的射電望遠鏡，分別是德國波恩１００米望遠鏡和美國阿雷西博３００米望遠鏡。前者是可以移動“搖頭”的，後者則借助波多黎各島上的喀斯特洼坑建造。

１９９３年國際無線電聯大會上，包括中國在內的１０國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議，渴望在電波環境徹底毀壞前，回溯原初宇宙，解答天文學中的眾多難題。

“造世界第一大口徑射電望遠鏡，是南仁東老師和幾位前輩的夢，體現了中國天文學家的鴻鵠之志。”彭勃説。

１９９５年底，北京天文臺聯合國內２０余所大學和研究所，成立了射電“大望遠鏡”中國推進委員會，提出了利用貴州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天線陣”的喀斯特工程概念。

此後，中國科學家們進一步推進喀斯特概念，提出獨立研製一台新型的喀斯特單元，即５００米口徑球面射電望遠鏡。

為了給新一代射電“大望遠鏡”安家，科學家們通過衛星遙感把貴州喀斯特山區翻了個遍。彭勃回憶説，當時天文臺委託兩家院所進行獨立搜尋，從３００多個候選洼坑中遴選。結果，位於黔南州平塘縣的大窩凼兩次都獲最高分。

貴州天然喀斯特洼坑提供的條件，始終都是中國大射電望遠鏡最獨到、成為世界最大最強的基礎。

不只是大一圈——中國大射電望遠鏡強在哪？

無論是置身大射電望遠鏡邊上，爬上附近山頂的觀景臺，還是通過虛擬現實視頻，你都能直觀感受它的第一特點——大。科學家們形容它是一座“觀天巨眼”。

中國科學院國家天文臺５００米口徑球面射電望遠鏡工程總工藝師王啟明説，僅圈梁、索網和支撐饋源艙的６座高塔就用掉１萬多噸鋼材。

“望遠鏡反射面總面積為２５萬平方米，相當於３０個標準足球場那麼大。儘管反射面板才１毫米厚，也用掉２０００多噸鋁合金。”王啟明説。

但大射電望遠鏡絕不是金屬堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文儀器。由於採用光機電一體化的饋源平臺，加之饋源艙內的並聯機器人二次調整，它在饋源與反射面之間無剛性連接的情況下，可實現毫米級指向跟蹤，確保精確地聚集和監聽宇宙中微弱的射電信號。

大射電望遠鏡的建造工藝也是精益求精。王啟明説，由於嚴苛要求，這個大科學工程推動了多領域裝備製造能力的提升：

——主動反射面的索網具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞特徵，其５００兆帕的超高應力幅，是國家標準的２．５倍；

——幫助反射面變位的２０００多個液壓促動器通過伸縮實現精確定位、協同運動，還可將自身各項狀態信息上報給控制系統，滿足適時跟蹤、換源等運動要求；

——承擔著傳輸各種數據信息使命的動光纜可經受反復彎曲、捲繞和扭轉等機械性能和惡劣自然環境考驗。

“我們的最初設計理念源自美國阿雷西博望遠鏡。但跟阿雷西博相比，主動反射面系統是我們最大的創新。”彭勃説，大射電望遠鏡的索網結構可以隨著天體的移動變化，帶動索網上的４４５０個反射單元，在射電電源方向形成３００米口徑瞬時拋物面，極大提升觀測效率。

阿雷西博望遠鏡是固定望遠鏡，只能通過改變天線潰源的位置掃描天空中的一個約２０度的帶狀區域。而主動反射面讓中國大射電望遠鏡擁有更廣的觀測範圍，能覆蓋４０度的天頂角。

大射電望遠鏡的工作頻率比較廣。彭勃説，饋源艙內配置了覆蓋頻率７０ＭＨｚ～３ＧＨｚ的多波段、多波束饋源和接收機系統。

中國科學院國家天文臺副臺長鄭曉年説，１００米口徑的德國波恩望遠鏡曾號稱“地面最大的機器”，中國大射電望遠鏡與它相比，靈敏度提高約１０倍。３００米口徑的美國阿雷西博望遠鏡，５０多年一直無人超越，中國大射電望遠鏡跟它相比，綜合性能提高約１０倍。

紮根喀斯特天坑放眼宇宙深空

“跟其他射電望遠鏡一樣，中國大射電望遠鏡最主要的兩大科學目標是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈衝星，前者是研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化，後者是研究極端狀態下的物質結構與物理規律。”鄭曉年説。

地球大氣層留給人類探索宇宙兩個窗口，一個是光學，一個是射電。對天文學家來説，如果光學望遠鏡是顯微鏡，那麼射電望遠鏡就是ＣＴ機，可以獲得天體的超精細結構。

“有７套接收機，因為不同的波段觀測的頻率不一樣，觀測和研究目標就不一樣。”彭勃説，在大射電望遠鏡眼中，宇宙和宇宙天體是一種立體的呈現。

半個多世紀以來，全世界所有射電望遠鏡收集的能量尚翻不動一頁紙，中國大射電望遠鏡的加盟將大大加快這一速度。而收集的能量，意味著解讀宇宙深處奧秘的信息量。

“從射電望遠鏡誕生至今，人類共發現了約２５００顆脈衝星，如果中國大射電望遠鏡的工作時間全部用於觀測脈衝星，它一年時間內就有望將這個數量翻倍。”彭勃説，脈衝星可以用於脈衝星導航、脈衝星計時陣等應用目標。

南仁東認為，大射電望遠鏡還有可能會發現一些前所未見的脈衝星現象，比如説一個脈衝星和一個黑洞結對，那麼就可能産生突破性的理論。

物理學發展中的每一次小小的進步，都伴隨著極大的艱難與曲折。但在人類文明進步的每個階段，物理學始終站在解放生産力的前沿。彭勃説，科學家利用阿雷西博望遠鏡發現引力波，並獲得諾貝爾物理學獎，中國大射電望遠鏡則為自然科學特別是物理學相關領域提供了重大發現的機會。

“針對大眾十分關心的大射電望遠鏡能否用於尋找地外文明，答案是肯定的。”彭勃表示，它是探測係外行星尤其是類地行星的利器。由於靈敏度提高，它能看到更遠、更暗弱的天體，通過探測星際分子、搜索可能的星際通訊信號，尋找地外文明的幾率比現有設備提升了５至１０倍。

在７月３日饋源艙升艙和反射面板按計劃完成安裝後，大射電望遠鏡將進行２個多月的系統調試，于９月底正式竣工投入使用。但要實現所有功能參數最優化，它還要在兩三年的觀測中不斷調試完善。

“大射電望遠鏡建成後將成為中國天文學研究的‘利器’，在未來１０至２０年保持世界一流設備的地位。”鄭曉年説，“希望中國科學家儘快利用它出成果。”（執筆記者齊健；參與記者吳晶晶、胡星、楊維漢）