“天眼”開啟 探秘蒼穹

圖為9月24日拍攝的FAST項目主體工程。吳秉澤 攝

索網結構是FAST主動反射面的主要支撐結構，也是FAST工程的主要技術難點之一。記者 杜 芳攝

FAST總工藝師、主動反射面系統總工王啟明現場介紹情況。記者 杜 芳 攝

FAST饋源艙設計輕巧靈活，能更精準接收信號。記者 杜 芳攝

觀眾在參觀平塘天文科普文化園，FAST吸引了許多市民前來一探究竟。記者 吳秉澤 攝

FAST項目支出非常節省，圖為指揮部的房屋一側堆放著許多當初的試驗樣機。記者 杜 芳 攝

9月25日，貴州省黔南布依族自治州平塘縣的“大窩凼”洼地，FAST，即“500米口徑球冠狀主動反射球面射電望遠鏡”，在經歷了22年從構想、預研、開工建設到反復調試的過程後，終於落成啟用，邁向試運行階段。從此，黔南大地“生長”出的這只巨大“天眼”，將承載著人們對於浩瀚宇宙的無限想象，日夜無休地望向璀璨星空。

觀天“巨眼”明眸善睞

在正式啟用的前一天，《經濟日報》記者有幸零距離一睹“天眼”奇觀。群山擁抱的一個巨大的天坑裏，由4450塊、186種大小不同的三角形反射板拼成的銀灰色“大碗”坐落其中。沿著碗的邊緣走一圈需要40分鐘左右，而這只碗的面積，則足足有30個足球場那麼大。

為什麼需要一台如此大口徑的望遠鏡？科學家們告訴記者，來自宇宙天體的無線電信號極其微弱，半個多世紀以來，所有射電望遠鏡收集的能量尚翻不動一頁紙。只有讓望遠鏡的靈敏度變得更高，探測微弱無線電的能力才能更強，而要想提高靈敏度，就需要擴大射電望遠鏡的口徑。

FAST的口徑達到了世界之最——500米。理論上説，FAST能接收到137億光年以外的電磁信號，這個距離接近於宇宙的邊緣。從射電望遠鏡誕生至今，人類共發現了約2500顆脈衝星，如果FAST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。因此，FAST加盟大口徑望遠鏡家族，將大大推進人類認識宇宙的速度。

“看著FAST落成啟用，那種感覺就像研究生時候日夜辛苦讀書，終於等到畢業那天校長撥穗。”FAST總工藝師、主動反射面系統總工王啟明欣慰地説，“在這裡待久了，看著FAST從無到有，許多人都有了感情，它就像自己的孩子一樣。”

如今，這個睡眼惺忪的孩子已經準備好“睜開眼睛”看向新世界。隨著拼版的不斷變形，500米的球冠狀主動反射面上實時形成一個300米直徑的瞬時拋物面，FAST靈活地轉動著這個巨型眼珠，來自宇宙的秘密通過電磁波匯聚眼底，一覽無余。

為了聽清來自宇宙的輕聲“呢喃”，FAST要把覆蓋30個足球場的信號，聚集在藥片大小的空間裏，這並非易事。為此，科學家們奇思妙想，用6根大跨度柔索，牽引饋源艙做高精度三維掃描運動。該設計將饋源支撐結構系統自重降至30噸。輕巧的饋源艙，既降低造價，又提高穩定性，可在百米尺度大工作空間內實現瞬時焦點，實時達到毫米級高精度定位，從而實現對天體的高精度指向跟進觀測。

“FAST不僅宏偉壯觀，其最震撼人心的是它的精準。它要求在如此大的尺度上達到毫米級精準，並且要在約定時刻內到達。”FAST工程測量與控制系統總工朱麗春説。

這個鋼筋鐵骨的龐然大物，500米的結構，處處都是頭髮絲般毫米級的精度要求。用來編織索網的7000多根手臂般粗細的鋼纜，每一根的加工精度都被控制在一毫米以內；最終的500米口徑的天線精度是3個毫米，反射面單元的厚度只有1.3毫米。

自主創新“雕琢”技能

從1994年提出構想，到現在落成，FAST經歷了22年。通過不斷創新雕琢各項技能，具有我國自主知識産權的FAST，成為世界上正在建造及計劃建造的口徑最大、最具威力的射電望遠鏡，其反射面總面積25萬平方米，光反射面板就用掉2000多噸鋁合金，圈梁、索網和6座支撐饋源艙的高塔用掉1萬多噸鋼材。

與FAST的恢宏氣勢和豪華陣容相比，不遠處的工程指揮部相形見絀，簡易的板房連廁所都無法安裝，二樓鐵皮搭就的樓板走起來還咣當作響。項目的工藝師、工程師們就駐紮在這裡，從2011年開工一直堅守至今。

“國家給的經費有限，算算資金還是很緊張，這種情況下，一定要把錢投到工程上去，先保證工程。如果把錢花在生活上，設備做不出來怎麼辦？”王啟明説。在他看來，工程每一筆錢都要絞盡腦汁細分，“這樣花錢可比賺錢累多了。”他笑著説。

FAST項目支出非常節省，很多設計都在前期做了充分的預研。至今指揮部的房屋後面，還堆放著許多當初的試驗樣機。記者看到，光是拉動“天眼”變形所用的促動器就大大小小擺了十幾根。

“促動器做了9個試驗臺，幾十台樣機在同時做，歷經8年才誕生適合的産品。鋼索的疲勞試驗也做了上百次，常用的斜拉橋上的鋼索，安裝強度是200兆帕、200萬次彎曲，但FAST的鋼索設計要求是安裝強度500兆帕、200萬彎曲次數，因此經歷了無數次失敗。那時我們非常著急，調研了上百家企業、大學等。最終，當承建單位研發出符合要求的新鋼索時，申請了12項專利。”王啟明説。

在高標準的技術要求篩選下，FAST薈萃了國內最牛的施工單位。比如做圈梁的單位，是做過鳥巢、國家大劇院的；做面板網架的單位，是做過水立方的。“別的工程這些企業當作一號工程來做，而把FAST稱為零號工程。很多企業不圖賺錢，而是覺得，作為行業翹楚，如果連這個世界第一的工程建設都不做，怎麼能説得過去。”王啟明説。

工期緊迫，項目團隊需要一邊克服技術上的難題，一邊做好工程上的把關。“當時工人的工作時間安排精細到半小時以內，每一步工序都有嚴格的要求。比如刷油漆，必須晴天清洗完晾幹才能刷，電焊焊條淋雨後必須烤幹才能行，否則會産生氣孔影響工程質量。貴州雨水最多的時候工人一連半個月刷不了油漆，等在工地上著急，但那也不行，堅決不能刷。”王啟明説。

無數的技術工人在這裡灑下了辛勤的汗水。在工程最為複雜的反射面板的安裝上，11個月的時間，工人們高空作業，坐在節點上拼裝，一坐就是一天。下了雨沒法下來，只能披著雨衣原地等。吃飯靠著繩子把飯盒吊上去，他們還要儘量少喝水，避免上廁所。王啟明説，那時工地上的條件非常艱苦。

如今，FAST落成啟用，工程團隊人人都曬得黝黑，説話語速也習慣性加快。自從2013年進駐工地後，每次春節，王啟明總是最後一個走，幾乎所有節假日都是在工地度過。千頭萬緒的工作讓他的白頭髮越來越多，連老領導見了他都説：“白頭髮該焗一焗了！”

深空獵奇星際求索

利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址取法自然，是FAST的創舉。

FAST臺址與觀測基地系統總工程師朱博勤告訴記者，自從1994年FAST工程建設提到日程上來，臺址勘察就緊鑼密鼓開展起來。“我們要考慮造價問題、電磁波環境問題、地質基礎問題、周圍無線電背景條件以及氣象條件等。從火山口、礦坑、隕石坑、岩溶地區洼地等中間挑選出最佳方案，最後認為貴州喀斯特地貌的天然洼地正適合建造形如大鍋的FAST。”

FAST團隊從約400個備選洼地中選定“大窩凼”作為傾聽宇宙的地方，因為它不大不小，深度合適，形狀很圓，適於施工建設。這附近5公里半徑內沒有一個鄉鎮，25公里半徑內只有一個縣城，周圍只有十幾戶人家，無線電干擾較少。

在FAST到來之前，當地的十幾戶人家居住在不通電的封閉小世界裏，對於望遠鏡怎麼會建成一口“大鍋”？為何要建這個大傢伙？他們不懂。項目團隊和村民們解釋了很多，他們還是聽得雲裏霧裏，最後聽到要用“大鍋”接收信號來找“外星人”，村民們聽懂了。

村民們為“外星人”搬到了鎮上，開始打量山洼外面那片新天地，而FAST則代替他們張望著故土穹頂的星空，以同樣的好奇心，探索著深空裏的新世界。

FAST將如何尋找外星人呢？FAST工程副總工藝師孫才紅告訴記者，人們平常接收的來自電臺、電視臺等的信號是經過編碼的，而天文天體目標發射的信號沒有人為調試的過程，如果某天望遠鏡接收到有規則的信號，一定不屬於天體現象，就有可能是外星文明的信號。

除了尋找外星生命，“天眼”還可以滿足人類對於宇宙的諸多的奇思幻想：黑洞的邊緣是怎樣的？星星來自哪？為什麼會有我們？這些秘密將通過電波在穿越億萬光年時空後來到這裡。

觀測脈衝星是“天眼”的重要任務之一。天文學家介紹，脈衝星就像天體物理實驗室，可以研究一些特殊天體物理和宇宙演化現象。如果發現脈衝星與黑洞組成的雙星系統，科學家可利用脈衝星去研究黑洞周圍時空。

觀測脈衝星同時還能達到應用上的目的。孫才紅説，當前觀測的脈衝星有2000多顆，有些脈衝星的週期頻率的標準比地球上最好的原子鐘還準，通過“天眼”觀測進一步補充脈衝星的數量，以後就有可能實現脈衝星導航，這對於深空探測具有重要意義。

此外，FAST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫雲團的運動，所謂中性氫，就是宇宙中未聚攏成恒星發光發熱的氫原子，由一個質子加一個電子組成。中性氫雲團的運動正反映了早期宇宙的蛛絲馬跡。“天眼”觀測中性氫信號，就可能獲知星系之間互動的細節，甚至發現第一代天體以及宇宙漫長髮育歷程的線索。如果足夠幸運，地球上的人類將通過“天眼”探知宇宙起源秘密，同樣也能據此分析宇宙的未來。

“一些天體演化的過程，必須通過天文觀測驗證理論。”孫才紅説，恒星演化的最後階段變成脈衝星，太陽演化的結果變成白矮星。白矮星的密度相當於將上萬頭大象壓縮在一個立方厘米，而脈衝星的密度，相當於將上億頭大象壓縮到一個指甲蓋大小的空間裏。這些演化只有在宇宙發生，地球上是模擬不出來的，因此需要更大的望遠鏡觀測更遠的天文現象，讓宇宙的圖景更加清晰，讓人類對地外空間的認識更進一步。

中國“天眼”世界第一

自1963年建成以來，坐落于波多黎各喀斯特地貌中的阿雷西博射電望遠鏡，已雄踞世界上接收面積最大的單口徑射電望遠鏡的寶座長達半個世紀。“阿雷西博”的最初口徑為305米，20世紀70年代擴建至350米。

如今，FAST終於將取代“阿雷西博”，成為新的射電望遠鏡之王。FAST工程饋源支撐系統副總工李輝介紹，“國外的望遠鏡和我們很像，但是它的饋源艙放在一個平臺上，總重1000噸，是不能動的，而FAST的饋源艙是懸挂在空中，可以靈活移動接收聚焦的電波，饋源支撐結構系統自重只有30噸”。

憑藉500米的口徑、相當於30個足球場的接收面積，FAST不僅將在尺寸規模上創造單口徑射電望遠鏡的新世界紀錄，而且在靈敏度和綜合性能上，也將登上世界的巔峰。

FAST主要性能指標為：口徑達500米，球反射面半徑300米，有效照明口徑300米，天空覆蓋範圍為天頂角40度，工作頻率為70MHz至3GHz，靈敏度（L波段）為2000m2/K，分辨率（L波段）為2.9角分，多波束（L波段）19個，觀測換源時間小于10分鐘，跟蹤精度8角秒。

與號稱“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，FAST的靈敏度提高約10倍；與排在“阿波羅”登月之前、被評為人類20世紀十大工程之首的美國“阿雷西博”305米望遠鏡相比，綜合性能提高約10倍。

“FAST工程涉及的技術是前沿的，我們站在世界前沿，儘管非常難，也非常艱險，但是風景非常美麗，這是我們的幸運之處。”朱麗春説。

FAST工程副總經理、辦公室主任張蜀新表示，“天眼”的綜合設計體現了我國的自主創新能力，其建設將推動眾多高科技領域的發展，提高原始創新能力、集成創新能力和引進消化吸收再創新能力。它的建設與運行將促進西部經濟的繁榮和社會進步，符合國家區域發展的總體戰略。

根據國際射電望遠鏡的建設及運行經驗，FAST竣工後將進入緊張的調試—試運行觀測階段。“FAST龐大的系統和應用的技術，目前在其他射電望遠鏡裏是沒有的，但是望遠鏡建成不等於達到性能最好，未來三到五年要通過觀測和不斷調試將FAST的性能達到最優。”張蜀新説。

“當然在這個過程中，也會對數據進行科學分析，希望有一些突破性的成果，但是我們更希望在望遠鏡性能達到最優後獲得高質量的觀測數據。”孫才紅説。

作為世界最大的單口徑望遠鏡，FAST將在未來10年至20年保持世界一流設備的地位。