中國(guó)“天眼”到底有多厲害
日期：2021-09-27 來(lái)源：解放日?qǐng)?bào)
李奇生 圖片由“深圳市民文化大講堂”提供
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■李奇生
中國(guó)“天眼”即FAST射電望遠(yuǎn)鏡，是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，于1994年提出設(shè)想，歷經(jīng)22年建成。
“天眼”能讓我們?cè)谟钪嬷邪l(fā)現(xiàn)什么？請(qǐng)聽(tīng)國(guó)家天文臺(tái)高級(jí)工程師、中國(guó)“天眼”現(xiàn)場(chǎng)辦公室原副主任李奇生在“深圳市民文化大講堂”上的講述。
除了向宇宙發(fā)送信息，我們也搜尋外來(lái)的信號(hào)。可是，經(jīng)過(guò)幾十年的搜尋，我們至今沒(méi)有得到一點(diǎn)有價(jià)值的信息。在這方面，中國(guó)“天眼”可以充分發(fā)揮高靈敏度、高分辨率的優(yōu)勢(shì)。
總而言之，中國(guó)“天眼”的建成，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡從追趕世界到領(lǐng)先世界的跨越。FAST射電望遠(yuǎn)鏡還將在未來(lái)20—30年繼續(xù)保持領(lǐng)先。 ——李奇生
一門(mén)基于觀測(cè)的學(xué)科
天文學(xué)是研究宇宙的學(xué)問(wèn)。
天文學(xué)有一個(gè)特點(diǎn)：它是一門(mén)基于觀測(cè)的學(xué)科。宇宙天體離我們非常遙遠(yuǎn)，所以我們獲得天體的信息只能通過(guò)觀測(cè)。通過(guò)觀測(cè)得到的結(jié)果，建立理論模型，再通過(guò)理論模型驗(yàn)證觀測(cè)結(jié)果，如此反復(fù)循環(huán)，最終得到一個(gè)科學(xué)的理論模型。所以說(shuō)，天文研究是基于一種推測(cè)而展開(kāi)的。比如，在望遠(yuǎn)鏡中看到的恒星，只是一個(gè)很小的閃爍的點(diǎn)。我們根據(jù)對(duì)它的亮度進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)它的亮度變化有一定的規(guī)律。于是，在這個(gè)恒星的亮度圖上，我們就可以建立理論模型，初步推測(cè)這個(gè)點(diǎn)可能是兩顆星繞在一起轉(zhuǎn)。因?yàn)殡p星繞轉(zhuǎn)時(shí)相互遮掩，所以它的亮度會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的變化。根據(jù)這種觀測(cè)得出結(jié)論，天上的星星有將近一半是雙星。
1825年，法國(guó)哲學(xué)家孔德曾經(jīng)斷言：“恒星的組成成分是人類絕對(duì)無(wú)法得到的?！比欢?，30多年后，科學(xué)家通過(guò)分光技術(shù)得到的恒星光譜，不僅知道了恒星的化學(xué)成分，還知道了恒星大氣的溫度、密度和壓力以及恒星的自轉(zhuǎn)、質(zhì)量、磁場(chǎng)等物理量。
當(dāng)然，我們也有解釋不了的現(xiàn)象。1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃用當(dāng)時(shí)最大的胡克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到星系的退行速度和距離成正比。這說(shuō)明什么？說(shuō)明我們的宇宙在膨脹。20世紀(jì)末，宇宙學(xué)家進(jìn)一步的觀測(cè)研究表明，宇宙在加速膨脹。然而，加速膨脹是需要能量的。這個(gè)能量是什么呢？我們目前還不知道，只能稱其為“暗能量”。這是我們還解釋不了的天文現(xiàn)象。
望遠(yuǎn)鏡的口徑越造越大
可以說(shuō)，天文學(xué)的研究是依賴于觀測(cè)設(shè)備的。天文學(xué)上取得的成就，都是和觀測(cè)設(shè)備性能的提高密不可分的。有了好的望遠(yuǎn)鏡，才能看到更加遙遠(yuǎn)、更加暗弱的天體，才能有新的發(fā)現(xiàn)。隨著觀測(cè)設(shè)備性能的提高，天文研究的內(nèi)容也越來(lái)越廣泛。
隨著制造能力的提高，望遠(yuǎn)鏡的口徑越造越大。一開(kāi)始的望遠(yuǎn)鏡只有幾十厘米的口徑，后來(lái)逐漸出現(xiàn)了1米以上口徑的望遠(yuǎn)鏡。1918年投入使用的胡克望遠(yuǎn)鏡，口徑2.54米，位于美國(guó)加利福尼亞州洛杉磯市外的威爾遜山。通過(guò)這架望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家觀測(cè)到宇宙在膨脹?？趶?.08米的海爾望遠(yuǎn)鏡位于美國(guó)加州帕洛馬山上，于1948年建成，光鏡面研磨就花費(fèi)7年時(shí)間。這架望遠(yuǎn)鏡的可移動(dòng)部分達(dá)530噸重，作為當(dāng)時(shí)最大的望遠(yuǎn)鏡在世界上“統(tǒng)治”了很長(zhǎng)時(shí)間。美國(guó)的凱克望遠(yuǎn)鏡，第一次突破10米口徑的量級(jí)。麥哲倫巨型望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)25米，將于2025年在智利建成，其成像清晰度將達(dá)到哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的10倍。美國(guó)TMT望遠(yuǎn)鏡的口徑為30米，計(jì)劃建于夏威夷莫納克亞山，但目前項(xiàng)目受阻。E-ELT歐洲極大望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)39米，是目前在建的最大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，選址于智利的阿塔卡瑪沙漠，計(jì)劃2024年運(yùn)營(yíng)。
天文望遠(yuǎn)鏡有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是靈敏度，一個(gè)是分辨率。靈敏度是指望遠(yuǎn)鏡能接收到最弱信號(hào)的本領(lǐng)，通俗地說(shuō)就是“看得見(jiàn)”的本領(lǐng)。分辨率則是指望遠(yuǎn)鏡能分辨出最小細(xì)節(jié)的本領(lǐng)，也就是“看得清”的本領(lǐng)。
天文望遠(yuǎn)鏡和我們?nèi)搜劭礀|西是不一樣的。人眼看見(jiàn)什么，就是什么，是不能累積起來(lái)的；而望遠(yuǎn)鏡在跟蹤天體的觀測(cè)中，輻射不斷地累積在探測(cè)器上，因此，觀測(cè)的時(shí)間越長(zhǎng)，越能看到更暗的天體。
射電望遠(yuǎn)鏡的問(wèn)世
1931年，一個(gè)名叫卡爾·央斯基的美國(guó)無(wú)線電工程師，在做無(wú)線電通信的干擾實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，除了雷電的信號(hào)外，始終還有一種來(lái)歷不明的信號(hào)干擾。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，他在1932年發(fā)表的文章中斷言：這是來(lái)自銀河系中心的射電輻射。他把這個(gè)結(jié)果告訴了天文學(xué)家，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起重視。
1937年，美國(guó)人G.瑞伯在自己家里潛心試制射電望遠(yuǎn)鏡，并取得了成功。他建造的射電望遠(yuǎn)鏡也是世界上第一架拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡。1939年，瑞伯驗(yàn)證了央斯基的發(fā)現(xiàn)，不僅銀河系中心有射電輻射，宇宙很多地方都有無(wú)線電輻射。
第二次世界大戰(zhàn)中，英國(guó)的許多軍用雷達(dá)有時(shí)會(huì)同時(shí)受到干擾，而當(dāng)太陽(yáng)出現(xiàn)黑子時(shí)，干擾就更厲害。由此科學(xué)家斷定，干擾來(lái)自太陽(yáng)，說(shuō)明太陽(yáng)也有電波輻射。所有這些事實(shí)，使天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到，天體除了在可見(jiàn)光波段有輻射，在射電波段也有輻射。
至此，射電望遠(yuǎn)鏡應(yīng)運(yùn)而生。隨著制造能力的提高，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑也越造越大。1957年建于英國(guó)的洛弗爾射電望遠(yuǎn)鏡，口徑為76米，它發(fā)現(xiàn)了第一例位于球狀星云中的脈沖星。1961年建于澳大利亞的Parkes望遠(yuǎn)鏡，口徑64米，它后來(lái)發(fā)現(xiàn)了很多脈沖星。德國(guó)100米口徑的波恩望遠(yuǎn)鏡，建于1972年，重量達(dá)3200噸。
美國(guó)的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是世界上第二大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，于1963年建成啟用，口徑305米。位于美屬波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，依山地地形而建造。但是從2020年開(kāi)始，因?yàn)槟昃檬?，先后有兩根鋼索斷裂，同?2月，望遠(yuǎn)鏡的接收機(jī)平臺(tái)從高空墜落，把望遠(yuǎn)鏡徹底砸毀了。
目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡就是中國(guó)“天眼”——FAST射電望遠(yuǎn)鏡，直徑達(dá)到500米。
中國(guó)“天眼”的三大創(chuàng)新
中國(guó)“天眼”有三大創(chuàng)新。
第一個(gè)創(chuàng)新，是利用地球上獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)良臺(tái)址——貴州天然喀斯特巨型洼地作為望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址。
FAST射電望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址原貌是一個(gè)天然的大坑，其中住了14戶人家。1994年，F(xiàn)AST項(xiàng)目啟動(dòng)。2011年開(kāi)工建設(shè)，2016年完工，2020年通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。這架望遠(yuǎn)鏡有多大呢？它的接收面積有30個(gè)足球場(chǎng)那么大。如果你把它想象成一口大鍋，在里面裝滿了葡萄酒，那么全世界每人可以分到3大瓶（每瓶700毫升）。全世界一共有70多億人，你可以想象這個(gè)鍋有多大。
FAST射電望遠(yuǎn)鏡是500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡，它的觀測(cè)覆蓋面為天頂角40度，觀測(cè)頻率是70MHz—3GHz。目前，它是世界上靈敏度最高的射電望遠(yuǎn)鏡。該項(xiàng)目共建設(shè)了5年半時(shí)間，總投資11.5億元。
第二個(gè)創(chuàng)新，是發(fā)明了主動(dòng)變形反射面，在觀測(cè)方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面，匯聚電磁波。
射電望遠(yuǎn)鏡的主要功能，是將來(lái)自天體的電磁波經(jīng)過(guò)金屬鏡面反射后，匯聚起來(lái)，便于天文觀測(cè)。因此，射電望遠(yuǎn)鏡常用的形狀有兩種，一種是球面，一種是拋物面。相對(duì)來(lái)說(shuō)，球面反射后不是聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，而是聚焦在一條線上，所以收集信號(hào)比較麻煩。拋物面經(jīng)反射后信號(hào)會(huì)聚焦到一個(gè)點(diǎn)上，所以收集信號(hào)比較容易。
我們是怎樣設(shè)計(jì)FAST射電望遠(yuǎn)鏡的呢？其實(shí)，這架望遠(yuǎn)鏡雖然直徑是500米，但是我們觀測(cè)的時(shí)候，只把其中300米變成拋物面，并且通過(guò)300米區(qū)域的不斷移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天體的跟蹤。因?yàn)樘祗w的位置是不斷移動(dòng)的，所以我們必須不斷移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。
這么大面積的望遠(yuǎn)鏡，其實(shí)每一塊面板都是可以上下移動(dòng)的。上下移動(dòng)的目的是什么？就是要把觀測(cè)天區(qū)這一部分的面板瞬時(shí)變成拋物面形狀。根據(jù)測(cè)量和計(jì)算，一個(gè)直徑500米的球面和一個(gè)300米的拋物面非常接近，它們之間最大相差還不到0.4米。所以，只要能夠精確移動(dòng)球面的面板，就可以把球面變成拋物面。
具體是怎么建的呢？開(kāi)挖后，我們先建起一個(gè)封閉的圈梁，圈梁的內(nèi)徑就是500米。建完這個(gè)圈梁，再在圈梁上掛一個(gè)索網(wǎng)，也就是說(shuō)，用手腕那么粗的鋼索編了一個(gè)大網(wǎng)兜掛在圈梁上。然后，在索網(wǎng)上安裝面板，每塊面板為三角形，邊長(zhǎng)約11米，共4450塊面板。再在索網(wǎng)下連接2225個(gè)觸動(dòng)器，可根據(jù)指令控制索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的高低位置。就這樣，我們可以把整體面板由球面變成拋物面，觀測(cè)結(jié)束后再變回球面。
這些面板非常薄，只有1毫米厚。而且，面板都是打孔的，一來(lái)可以減輕重量，二來(lái)可以使面板下的植被保持一定的日照。所以，像中國(guó)“天眼”這么大的建筑工程，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)沒(méi)有造成負(fù)面影響。
第三個(gè)創(chuàng)新，是自主提出輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)饋源艙的高精度指向跟蹤。
饋源是指望遠(yuǎn)鏡用來(lái)接收宇宙信號(hào)的裝置系統(tǒng)。如果把FAST比作一只眼睛，那么饋源就相當(dāng)于它的視網(wǎng)膜，所有收集到的宇宙信號(hào)都要匯集到這里。饋源艙的直徑為13米，重30噸，它在206米的直徑范圍內(nèi)不斷移動(dòng)，因?yàn)樗獣r(shí)刻處在拋物面的焦點(diǎn)上。
在望遠(yuǎn)鏡周圍，有6座最高達(dá)168米的支撐塔，通過(guò)6條鋼索將30噸重的饋源艙懸吊在球面的中心。這6條鋼索每根長(zhǎng)600多米，直徑46毫米，重量達(dá)6噸。這個(gè)索驅(qū)動(dòng)工程是目前世界上建成的最大跨度的柔索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)。要把饋源艙移動(dòng)到焦點(diǎn)位置，需要分兩步走：由6條鋼索和艙內(nèi)的AB軸系統(tǒng)進(jìn)行第一次調(diào)整，位置的誤差在空間各方向不大于48毫米；第二次調(diào)整，由艙內(nèi)的Stewart平臺(tái)（也稱“六桿剛性并聯(lián)機(jī)器人”）進(jìn)行，精度可達(dá)到10毫米。
從追趕世界到領(lǐng)先世界
中國(guó)“天眼”有哪些科學(xué)研究目標(biāo)呢？
第一，了解宇宙中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分布。怎么了解？通過(guò)對(duì)氫這個(gè)元素的觀測(cè)。氫是宇宙中最簡(jiǎn)單、最容易形成的元素，也是最多的元素。我們只要觀測(cè)到一個(gè)地方有氫，就說(shuō)明這個(gè)地方有物質(zhì)。我們只要對(duì)空間進(jìn)行掃描，就可以知道它的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分布。這對(duì)于我們了解宇宙的演化過(guò)程有很大的幫助。
第二，觀測(cè)脈沖星。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，脈沖星是中等質(zhì)量恒星死亡以后的必然結(jié)局。一個(gè)正常的恒星，比如太陽(yáng)，每天都在進(jìn)行核燃燒。因?yàn)楹巳紵a(chǎn)生的輻射壓和星體的引力正好平衡，所以太陽(yáng)的大小沒(méi)有什么變化。可是一旦核燃料燒盡，只剩下引力，天體就會(huì)一下子塌縮。會(huì)塌縮到什么程度呢？一個(gè)天體可能會(huì)壓縮成直徑只有20公里。因此，它的密度變得極大，自轉(zhuǎn)非?？欤艌?chǎng)能量也很大，輻射很強(qiáng)，我們目前還不清楚它到底是什么樣的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。這正是我們希望通過(guò)觀測(cè)進(jìn)一步了解的真相。
第三，探測(cè)星際分子。星際分子是什么？就是恒星之間的空曠區(qū)域，存在星云、塵埃，星際物質(zhì)占銀河系的1/10。通過(guò)對(duì)這些星體進(jìn)行拍攝，我們發(fā)現(xiàn)，星體之間存在很多復(fù)雜的分子。1963年，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了星際羥基分子（OH），這項(xiàng)成就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。1969年又探測(cè)到甲醛，甲醛是氨基酸的前身。星際分子的組成元素都是地球生物的基本元素，這對(duì)于我們了解生命的起源、恒星的起源有很大的幫助。
第四，搜尋外星文明。從理論上講，像太陽(yáng)這樣的恒星在宇宙中是非常多的，因此外星文明很可能是存在的。
美國(guó)的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡曾在1973年向M13星團(tuán)發(fā)射了我們?nèi)祟惖囊恍┲饕畔?。M13星團(tuán)至少含有幾十萬(wàn)顆恒星，所以朝著一個(gè)方向發(fā)射，被外星人接收到的概率是非常大的。這些信息包括1—10的數(shù)字、地球上最多的5種元素、人類的DNA結(jié)構(gòu)等等。但是，M13星團(tuán)離我們有多遠(yuǎn)呢？信號(hào)到達(dá)那里需要2.5萬(wàn)年。也就是說(shuō)，真有外星人給我們回信，要收到也得5萬(wàn)年以后了。
除了向宇宙發(fā)送信息，我們也搜尋外來(lái)的信號(hào)?？墒?，經(jīng)過(guò)幾十年的搜尋，我們至今沒(méi)有得到一點(diǎn)有價(jià)值的信息。在這方面，中國(guó)“天眼”可以充分發(fā)揮高靈敏度、高分辨率的優(yōu)勢(shì)。
總而言之，中國(guó)“天眼”的建成，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡從追趕世界到領(lǐng)先世界的跨越。FAST射電望遠(yuǎn)鏡還將在未來(lái)20—30年繼續(xù)保持領(lǐng)先。
（本報(bào)記者 徐蓓 整理）
中國(guó)“天眼”即FAST射電望遠(yuǎn)鏡，是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，于1994年提出設(shè)想，歷經(jīng)22年建成。
“天眼”能讓我們?cè)谟钪嬷邪l(fā)現(xiàn)什么？請(qǐng)聽(tīng)國(guó)家天文臺(tái)高級(jí)工程師、中國(guó)“天眼”現(xiàn)場(chǎng)辦公室原副主任李奇生在“深圳市民文化大講堂”上的講述。
除了向宇宙發(fā)送信息，我們也搜尋外來(lái)的信號(hào)。可是，經(jīng)過(guò)幾十年的搜尋，我們至今沒(méi)有得到一點(diǎn)有價(jià)值的信息。在這方面，中國(guó)“天眼”可以充分發(fā)揮高靈敏度、高分辨率的優(yōu)勢(shì)。
總而言之，中國(guó)“天眼”的建成，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡從追趕世界到領(lǐng)先世界的跨越。FAST射電望遠(yuǎn)鏡還將在未來(lái)20—30年繼續(xù)保持領(lǐng)先。 ——李奇生
一門(mén)基于觀測(cè)的學(xué)科
天文學(xué)是研究宇宙的學(xué)問(wèn)。
天文學(xué)有一個(gè)特點(diǎn)：它是一門(mén)基于觀測(cè)的學(xué)科。宇宙天體離我們非常遙遠(yuǎn)，所以我們獲得天體的信息只能通過(guò)觀測(cè)。通過(guò)觀測(cè)得到的結(jié)果，建立理論模型，再通過(guò)理論模型驗(yàn)證觀測(cè)結(jié)果，如此反復(fù)循環(huán)，最終得到一個(gè)科學(xué)的理論模型。所以說(shuō)，天文研究是基于一種推測(cè)而展開(kāi)的。比如，在望遠(yuǎn)鏡中看到的恒星，只是一個(gè)很小的閃爍的點(diǎn)。我們根據(jù)對(duì)它的亮度進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)它的亮度變化有一定的規(guī)律。于是，在這個(gè)恒星的亮度圖上，我們就可以建立理論模型，初步推測(cè)這個(gè)點(diǎn)可能是兩顆星繞在一起轉(zhuǎn)。因?yàn)殡p星繞轉(zhuǎn)時(shí)相互遮掩，所以它的亮度會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的變化。根據(jù)這種觀測(cè)得出結(jié)論，天上的星星有將近一半是雙星。
1825年，法國(guó)哲學(xué)家孔德曾經(jīng)斷言：“恒星的組成成分是人類絕對(duì)無(wú)法得到的?！比欢?，30多年后，科學(xué)家通過(guò)分光技術(shù)得到的恒星光譜，不僅知道了恒星的化學(xué)成分，還知道了恒星大氣的溫度、密度和壓力以及恒星的自轉(zhuǎn)、質(zhì)量、磁場(chǎng)等物理量。
當(dāng)然，我們也有解釋不了的現(xiàn)象。1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃用當(dāng)時(shí)最大的胡克望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到星系的退行速度和距離成正比。這說(shuō)明什么？說(shuō)明我們的宇宙在膨脹。20世紀(jì)末，宇宙學(xué)家進(jìn)一步的觀測(cè)研究表明，宇宙在加速膨脹。然而，加速膨脹是需要能量的。這個(gè)能量是什么呢？我們目前還不知道，只能稱其為“暗能量”。這是我們還解釋不了的天文現(xiàn)象。
望遠(yuǎn)鏡的口徑越造越大
可以說(shuō)，天文學(xué)的研究是依賴于觀測(cè)設(shè)備的。天文學(xué)上取得的成就，都是和觀測(cè)設(shè)備性能的提高密不可分的。有了好的望遠(yuǎn)鏡，才能看到更加遙遠(yuǎn)、更加暗弱的天體，才能有新的發(fā)現(xiàn)。隨著觀測(cè)設(shè)備性能的提高，天文研究的內(nèi)容也越來(lái)越廣泛。
隨著制造能力的提高，望遠(yuǎn)鏡的口徑越造越大。一開(kāi)始的望遠(yuǎn)鏡只有幾十厘米的口徑，后來(lái)逐漸出現(xiàn)了1米以上口徑的望遠(yuǎn)鏡。1918年投入使用的胡克望遠(yuǎn)鏡，口徑2.54米，位于美國(guó)加利福尼亞州洛杉磯市外的威爾遜山。通過(guò)這架望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家觀測(cè)到宇宙在膨脹?？趶?.08米的海爾望遠(yuǎn)鏡位于美國(guó)加州帕洛馬山上，于1948年建成，光鏡面研磨就花費(fèi)7年時(shí)間。這架望遠(yuǎn)鏡的可移動(dòng)部分達(dá)530噸重，作為當(dāng)時(shí)最大的望遠(yuǎn)鏡在世界上“統(tǒng)治”了很長(zhǎng)時(shí)間。美國(guó)的凱克望遠(yuǎn)鏡，第一次突破10米口徑的量級(jí)。麥哲倫巨型望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)25米，將于2025年在智利建成，其成像清晰度將達(dá)到哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的10倍。美國(guó)TMT望遠(yuǎn)鏡的口徑為30米，計(jì)劃建于夏威夷莫納克亞山，但目前項(xiàng)目受阻。E-ELT歐洲極大望遠(yuǎn)鏡的口徑達(dá)39米，是目前在建的最大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，選址于智利的阿塔卡瑪沙漠，計(jì)劃2024年運(yùn)營(yíng)。
天文望遠(yuǎn)鏡有兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是靈敏度，一個(gè)是分辨率。靈敏度是指望遠(yuǎn)鏡能接收到最弱信號(hào)的本領(lǐng)，通俗地說(shuō)就是“看得見(jiàn)”的本領(lǐng)。分辨率則是指望遠(yuǎn)鏡能分辨出最小細(xì)節(jié)的本領(lǐng)，也就是“看得清”的本領(lǐng)。
天文望遠(yuǎn)鏡和我們?nèi)搜劭礀|西是不一樣的。人眼看見(jiàn)什么，就是什么，是不能累積起來(lái)的；而望遠(yuǎn)鏡在跟蹤天體的觀測(cè)中，輻射不斷地累積在探測(cè)器上，因此，觀測(cè)的時(shí)間越長(zhǎng)，越能看到更暗的天體。
射電望遠(yuǎn)鏡的問(wèn)世
1931年，一個(gè)名叫卡爾·央斯基的美國(guó)無(wú)線電工程師，在做無(wú)線電通信的干擾實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，除了雷電的信號(hào)外，始終還有一種來(lái)歷不明的信號(hào)干擾。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，他在1932年發(fā)表的文章中斷言：這是來(lái)自銀河系中心的射電輻射。他把這個(gè)結(jié)果告訴了天文學(xué)家，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起重視。
1937年，美國(guó)人G.瑞伯在自己家里潛心試制射電望遠(yuǎn)鏡，并取得了成功。他建造的射電望遠(yuǎn)鏡也是世界上第一架拋物面型射電望遠(yuǎn)鏡。1939年，瑞伯驗(yàn)證了央斯基的發(fā)現(xiàn)，不僅銀河系中心有射電輻射，宇宙很多地方都有無(wú)線電輻射。
第二次世界大戰(zhàn)中，英國(guó)的許多軍用雷達(dá)有時(shí)會(huì)同時(shí)受到干擾，而當(dāng)太陽(yáng)出現(xiàn)黑子時(shí)，干擾就更厲害。由此科學(xué)家斷定，干擾來(lái)自太陽(yáng)，說(shuō)明太陽(yáng)也有電波輻射。所有這些事實(shí)，使天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到，天體除了在可見(jiàn)光波段有輻射，在射電波段也有輻射。
至此，射電望遠(yuǎn)鏡應(yīng)運(yùn)而生。隨著制造能力的提高，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑也越造越大。1957年建于英國(guó)的洛弗爾射電望遠(yuǎn)鏡，口徑為76米，它發(fā)現(xiàn)了第一例位于球狀星云中的脈沖星。1961年建于澳大利亞的Parkes望遠(yuǎn)鏡，口徑64米，它后來(lái)發(fā)現(xiàn)了很多脈沖星。德國(guó)100米口徑的波恩望遠(yuǎn)鏡，建于1972年，重量達(dá)3200噸。
美國(guó)的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是世界上第二大單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，于1963年建成啟用，口徑305米。位于美屬波多黎各的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，依山地地形而建造。但是從2020年開(kāi)始，因?yàn)槟昃檬?，先后有兩根鋼索斷裂，同?2月，望遠(yuǎn)鏡的接收機(jī)平臺(tái)從高空墜落，把望遠(yuǎn)鏡徹底砸毀了。
目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡就是中國(guó)“天眼”——FAST射電望遠(yuǎn)鏡，直徑達(dá)到500米。
中國(guó)“天眼”的三大創(chuàng)新
中國(guó)“天眼”有三大創(chuàng)新。
第一個(gè)創(chuàng)新，是利用地球上獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)良臺(tái)址——貴州天然喀斯特巨型洼地作為望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址。
FAST射電望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址原貌是一個(gè)天然的大坑，其中住了14戶人家。1994年，F(xiàn)AST項(xiàng)目啟動(dòng)。2011年開(kāi)工建設(shè)，2016年完工，2020年通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。這架望遠(yuǎn)鏡有多大呢？它的接收面積有30個(gè)足球場(chǎng)那么大。如果你把它想象成一口大鍋，在里面裝滿了葡萄酒，那么全世界每人可以分到3大瓶（每瓶700毫升）。全世界一共有70多億人，你可以想象這個(gè)鍋有多大。
FAST射電望遠(yuǎn)鏡是500米口徑的球面射電望遠(yuǎn)鏡，它的觀測(cè)覆蓋面為天頂角40度，觀測(cè)頻率是70MHz—3GHz。目前，它是世界上靈敏度最高的射電望遠(yuǎn)鏡。該項(xiàng)目共建設(shè)了5年半時(shí)間，總投資11.5億元。
第二個(gè)創(chuàng)新，是發(fā)明了主動(dòng)變形反射面，在觀測(cè)方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面，匯聚電磁波。
射電望遠(yuǎn)鏡的主要功能，是將來(lái)自天體的電磁波經(jīng)過(guò)金屬鏡面反射后，匯聚起來(lái)，便于天文觀測(cè)。因此，射電望遠(yuǎn)鏡常用的形狀有兩種，一種是球面，一種是拋物面。相對(duì)來(lái)說(shuō)，球面反射后不是聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，而是聚焦在一條線上，所以收集信號(hào)比較麻煩。拋物面經(jīng)反射后信號(hào)會(huì)聚焦到一個(gè)點(diǎn)上，所以收集信號(hào)比較容易。
我們是怎樣設(shè)計(jì)FAST射電望遠(yuǎn)鏡的呢？其實(shí)，這架望遠(yuǎn)鏡雖然直徑是500米，但是我們觀測(cè)的時(shí)候，只把其中300米變成拋物面，并且通過(guò)300米區(qū)域的不斷移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天體的跟蹤。因?yàn)樘祗w的位置是不斷移動(dòng)的，所以我們必須不斷移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。
這么大面積的望遠(yuǎn)鏡，其實(shí)每一塊面板都是可以上下移動(dòng)的。上下移動(dòng)的目的是什么？就是要把觀測(cè)天區(qū)這一部分的面板瞬時(shí)變成拋物面形狀。根據(jù)測(cè)量和計(jì)算，一個(gè)直徑500米的球面和一個(gè)300米的拋物面非常接近，它們之間最大相差還不到0.4米。所以，只要能夠精確移動(dòng)球面的面板，就可以把球面變成拋物面。
具體是怎么建的呢？開(kāi)挖后，我們先建起一個(gè)封閉的圈梁，圈梁的內(nèi)徑就是500米。建完這個(gè)圈梁，再在圈梁上掛一個(gè)索網(wǎng)，也就是說(shuō)，用手腕那么粗的鋼索編了一個(gè)大網(wǎng)兜掛在圈梁上。然后，在索網(wǎng)上安裝面板，每塊面板為三角形，邊長(zhǎng)約11米，共4450塊面板。再在索網(wǎng)下連接2225個(gè)觸動(dòng)器，可根據(jù)指令控制索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的高低位置。就這樣，我們可以把整體面板由球面變成拋物面，觀測(cè)結(jié)束后再變回球面。
這些面板非常薄，只有1毫米厚。而且，面板都是打孔的，一來(lái)可以減輕重量，二來(lái)可以使面板下的植被保持一定的日照。所以，像中國(guó)“天眼”這么大的建筑工程，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)沒(méi)有造成負(fù)面影響。
第三個(gè)創(chuàng)新，是自主提出輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)饋源艙的高精度指向跟蹤。
饋源是指望遠(yuǎn)鏡用來(lái)接收宇宙信號(hào)的裝置系統(tǒng)。如果把FAST比作一只眼睛，那么饋源就相當(dāng)于它的視網(wǎng)膜，所有收集到的宇宙信號(hào)都要匯集到這里。饋源艙的直徑為13米，重30噸，它在206米的直徑范圍內(nèi)不斷移動(dòng)，因?yàn)樗獣r(shí)刻處在拋物面的焦點(diǎn)上。
在望遠(yuǎn)鏡周圍，有6座最高達(dá)168米的支撐塔，通過(guò)6條鋼索將30噸重的饋源艙懸吊在球面的中心。這6條鋼索每根長(zhǎng)600多米，直徑46毫米，重量達(dá)6噸。這個(gè)索驅(qū)動(dòng)工程是目前世界上建成的最大跨度的柔索牽引并聯(lián)機(jī)構(gòu)。要把饋源艙移動(dòng)到焦點(diǎn)位置，需要分兩步走：由6條鋼索和艙內(nèi)的AB軸系統(tǒng)進(jìn)行第一次調(diào)整，位置的誤差在空間各方向不大于48毫米；第二次調(diào)整，由艙內(nèi)的Stewart平臺(tái)（也稱“六桿剛性并聯(lián)機(jī)器人”）進(jìn)行，精度可達(dá)到10毫米。
從追趕世界到領(lǐng)先世界
中國(guó)“天眼”有哪些科學(xué)研究目標(biāo)呢？
第一，了解宇宙中的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分布。怎么了解？通過(guò)對(duì)氫這個(gè)元素的觀測(cè)。氫是宇宙中最簡(jiǎn)單、最容易形成的元素，也是最多的元素。我們只要觀測(cè)到一個(gè)地方有氫，就說(shuō)明這個(gè)地方有物質(zhì)。我們只要對(duì)空間進(jìn)行掃描，就可以知道它的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分布。這對(duì)于我們了解宇宙的演化過(guò)程有很大的幫助。
第二，觀測(cè)脈沖星。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，脈沖星是中等質(zhì)量恒星死亡以后的必然結(jié)局。一個(gè)正常的恒星，比如太陽(yáng)，每天都在進(jìn)行核燃燒。因?yàn)楹巳紵a(chǎn)生的輻射壓和星體的引力正好平衡，所以太陽(yáng)的大小沒(méi)有什么變化。可是一旦核燃料燒盡，只剩下引力，天體就會(huì)一下子塌縮。會(huì)塌縮到什么程度呢？一個(gè)天體可能會(huì)壓縮成直徑只有20公里。因此，它的密度變得極大，自轉(zhuǎn)非?？欤艌?chǎng)能量也很大，輻射很強(qiáng)，我們目前還不清楚它到底是什么樣的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。這正是我們希望通過(guò)觀測(cè)進(jìn)一步了解的真相。
第三，探測(cè)星際分子。星際分子是什么？就是恒星之間的空曠區(qū)域，存在星云、塵埃，星際物質(zhì)占銀河系的1/10。通過(guò)對(duì)這些星體進(jìn)行拍攝，我們發(fā)現(xiàn)，星體之間存在很多復(fù)雜的分子。1963年，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了星際羥基分子（OH），這項(xiàng)成就獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。1969年又探測(cè)到甲醛，甲醛是氨基酸的前身。星際分子的組成元素都是地球生物的基本元素，這對(duì)于我們了解生命的起源、恒星的起源有很大的幫助。
第四，搜尋外星文明。從理論上講，像太陽(yáng)這樣的恒星在宇宙中是非常多的，因此外星文明很可能是存在的。
美國(guó)的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡曾在1973年向M13星團(tuán)發(fā)射了我們?nèi)祟惖囊恍┲饕畔?。M13星團(tuán)至少含有幾十萬(wàn)顆恒星，所以朝著一個(gè)方向發(fā)射，被外星人接收到的概率是非常大的。這些信息包括1—10的數(shù)字、地球上最多的5種元素、人類的DNA結(jié)構(gòu)等等。但是，M13星團(tuán)離我們有多遠(yuǎn)呢？信號(hào)到達(dá)那里需要2.5萬(wàn)年。也就是說(shuō)，真有外星人給我們回信，要收到也得5萬(wàn)年以后了。
除了向宇宙發(fā)送信息，我們也搜尋外來(lái)的信號(hào)?？墒?，經(jīng)過(guò)幾十年的搜尋，我們至今沒(méi)有得到一點(diǎn)有價(jià)值的信息。在這方面，中國(guó)“天眼”可以充分發(fā)揮高靈敏度、高分辨率的優(yōu)勢(shì)。
總而言之，中國(guó)“天眼”的建成，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡從追趕世界到領(lǐng)先世界的跨越。FAST射電望遠(yuǎn)鏡還將在未來(lái)20—30年繼續(xù)保持領(lǐng)先。
（本報(bào)記者 徐蓓 整理）