FAST：射电望远镜中的传奇

　　文/王　麟　图/ 老　无

　　又到了周末读书时间，在爸爸的书房里，小天正抱着一本科学画册看得津津有味，这时候姐姐小菲走了进来，问道：“你看什么书呢？这么入迷。”

　　小天兴奋地将画册摊在小菲面前，说道：“这是讲古代航海的一篇文章，里面介绍的古代航海导航技术，真的很有趣啊！”

　　“古人航海用什么导航呢？”小菲又问道。

　　“如果在内海航行就用灯塔导航，如果到了外海，大船航行就需要指南针的帮助了。”小天回答道。

　　这时候爸爸走了进来，问了一句：“如果将来我们人类去宇宙中航行，那用什么导航啊？”

　　小菲和小天一瞬间都瞪大了眼睛，小天说：“是呀，茫茫宇宙，没有灯塔，也用不了指南针，宇宙飞船用什么来导航呢？”

　　看到姐弟俩脸上困惑的表情，爸爸笑了起来：“当然是用‘宇宙灯塔’导航啦！‘宇宙灯塔’就是脉冲星，那是一种可以规律发出强大电磁波的星体，就像浩瀚宇宙中的精准时钟，完全可以为人类探索外太空提供导航帮助。”

　　爸爸是个天文爱好者，谈起脉冲星来滔滔不绝。介绍完脉冲星的特征，爸爸又问了一个问题：“知道哪个国家发现的脉冲星最多吗？”

　　小天和小菲摇了摇头，爸爸也不再卖关子，直接公布答案：“是中国发现的最多。这都要归功于咱们的FAST，也就是被称为中国天眼的500米口径球面射电望远镜。它从2016年建成至今，已经发现了超过740颗脉冲星，让我国成为脉冲星研究领域的佼佼者。除了脉冲星，FAST还发现了大量射电暴等宇宙事件，使得我国相关科研团队迅速成为国际快速射电暴的核心研究力量。”

　　爸爸看到两个孩子求知若渴的样子，就说：“今天我就给你们讲讲FAST的故事吧！”

　　小菲和小天拍手称好。

　　“先告诉你们一个不幸的消息：2020年，使用了57年之久的350米口径的全球第二大球面射电望远镜——美国的阿雷西博望远镜坍塌损毁了，这是科技界的重大损失。因此，FAST现在是最先进的，至少领先其他国家二三十年！”爸爸说道。

　　小天和小菲的好奇心被激发出来，争先恐后地问道：“爸爸，FAST到底有多先进呢？”

　　爸爸答道：“第一个先进之处就是它的口径大，整整500米，占地约30个足球场的面积，填满了贵州省整整一个巨大的圆形山坳（ào）。第二就是它的反射面大，总面积约25万平方米，由4450 块半透明半镂空的三角形反射面板组成。每块反射面板边长为10.4～12.4米，重量为427～482.5千克，而厚度只有约1.3毫米。这些反射面板是可动的，从而使整个球面可以自动调整方向，能让接收的电磁波自动聚焦，更好地接收信息。它第三个令人惊叹的本领就是具有极高的灵敏度，它的灵敏度相比100米口径的德国波恩射电望远镜提高了10倍，能接收137亿光年以外的电磁波信号，这个距离接近目前可视宇宙的边缘呢。”

　　小天问：“这么先进的望远镜，咱们国家一定花了不少钱吧？”

　　爸爸点点头：“造价有几十亿元人民币吧。不过FAST带来的科学收获可是无价的，不是用金钱能衡量的。它在长达22年的筹备和建造期间解决的技术难题真值得大书特书！”

　　“建造FAST都解决了哪些技术难题？”小菲追问道。

　　爸爸继续讲道：“建造FAST首先要解决选址问题。射电望远镜需要搜索来自宇宙深处天体发出的微弱无线电信号，不能有一丝一毫的外界干扰，因为这些信号实在太微弱了！微弱到什么程度呢？全世界70 年来所有射电望远镜接收的信号总能量还翻不动一页书！因此，射电望远镜必须安装在远离城市、人口稀少的地方，保证环境足够安静，没有人类活动干扰。经过长时间的勘探、比较，科学家们最终选择了贵州省平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地作为FAST的台址。这个洼地直径600米，深达300米，正好与FAST的口径吻合，大大降低了工程造价。

　　“FAST要解决的第二个技术难题就是为4450块反射面板找一个安全、稳定的支撑结构。刚才说一块反射面板就有400多千克重，那么4000多块面板的重量，怎么才能撑住呢？不仅要撑住，还想实现反射面板可改变角度这个世界首创的设计，这要求构成索网的钢索像弹簧一样有一定的伸缩性，还要求每根钢索的加工精度要达到1毫米，这样的要求远远超越了现有标准，国际上未有先例。科学家们持续全方位地改进索体工艺，一根钢索要进行200万次疲劳测试。经历了近百次的失败后，他们终于成功解决了这个关键问题，实现了世界创举，研制出了世界上跨度最大、精度最高的索网结构，也是世界上第一个变位工作的索网体系。它由6670根主索和2225根下拉索构成，跨度达500米。

　　“FAST解决的第三个技术难题就是望远镜反射面板的设计。考虑到各种环境因素和风险意外，最终设计的反射面板都有小孔、透光率为50%，这样既可以防止镜面上积水影响FAST探测信号的性能，又能将雨水渗漏到望远镜下面的植被上面，不影响植物的生长。

　　“FAST解决的第四个技术难题就是馈源舱的设计。如果说FAST是观测深空的巨眼，那么馈源舱就犹如这只眼睛的瞳孔。馈源舱就是射电望远镜的接收机，用来接收反馈的无线电信号。安放信号接收机的馈源舱重约30吨，悬吊在500米口径球面的中央，通过周边的6个支撑塔以及6根牵引着馈源舱的钢索来进行悬吊和支撑。大多数传统射电望远镜的馈源舱位置是固定的，或仅可以微调。悬挂于半空中、可移动的馈源舱是FAST的又一大创新呢！”

　　小天和小菲都听愣了。小菲感叹道：“科学家们真了不起啊，解决了这么多难题。”小天接着说：“FAST简直是现代工程奇迹啊！”

　　“是呀！FAST涉及天文、测量、控制、电子、机械、材料等众多学科，凝结了20多家科研机构、上百名科研人员的心血。除了发现更多的脉冲星，建立好宇宙导航系统，助力人类实现星际旅行的梦想外，它还将进一步在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等研究前沿发挥巨大作用，帮助科学家们勇攀世界科技高峰。如今这台射电望远镜已经向全球天文学界开放使用，这也是中国为世界科技发展做出的又一重大贡献吧！”爸爸自豪地说。

　　银河系中普遍存在着大规模磁场，我们人类不知道它是从哪儿来的。今天，我们应该已经摸到了它的“边缘”，而这很大程度上就是依靠科学研究设备、依靠FAST这个平台实现的。

　　FAST的英文缩写是“快”的意思，但实际上FAST是一个比较“慢”的望远镜，因为它的控制移动特别复杂。我们可以用它来做巡天，虽然速度相对会慢一些，但是非常有用。

　　目前天文学的很多核心目标都需要通过巡天来实现。以前，我们做一个科研项目可能要用10年，那三四个项目就要做三四十年。现在不一样了，我们有FAST，只要完整扫过天空一次，就可以同时采集能够适用于不同科学目标的数据了。在过去半个世纪的射电天文学领域，没有人能实现这个想法。现在，基于“高时频噪声注入”这个中国原创技术，FAST能够实现“多科学目标同时巡天”。我们在研究中也取得了一系列精确测量宇宙电磁场特征的重要发现，有代表性的有两个。

　　一个是对银河系星际空间的磁场测量。20年来，我和我的同行们都认识到了它的科研价值，但是一直都没有成功。直到2021年，我们才精确测量到了星际空间中非常微弱的磁场，这是对恒星形成具有里程碑意义的发现。

　　另一个是我们现在没有办法解释的非常剧烈的宇宙爆炸现象——快速射电暴。快速射电暴出现的时间非常短，蕴含的能量非常巨大，千分之几秒释放出的能量就足够支撑全球人类用一万亿年。

　　宇宙中的大尺度磁场是怎么来的？还有关于这个问题的一系列的衍生效应，比如太阳是一个飘在空间里的核聚变反应堆，那么它是怎么把气体“捏”到一块的？太阳周围怎么又出现了地球？地球上怎么又出现了生命？这里的生命怎么又发明了手机？……整个发展过程中的每一步，磁场都很重要！

　　越困难的目标，或者说需要我们探索的时间越长的目标，当它实现的时候，给我们带来的幸福感、满足感就越强烈。我们取得的这些发现，FAST功不可没。它不光大，光路也非常干净，能发现来自宇宙的电磁场的精细特征。没有FAST的话，我们可能再工作20年也难有收获。FAST是把人类的“感官总和”往前挪了一大步，让人类能够更清晰地观测宇宙，相信宇宙的丰富多彩也不会让观测者失望。

　　现在，FAST的运行已经走上正轨，各种数据的采集、存储、传输等都已经形成了一个可以远程处理的系统。FAST的设计寿命是30年，根据它现在的运行情况来看，用50年应该是没有问题的。我之前参加过美国航空航天局和欧洲航天局的一个联合项目，它花费了10亿美元数量级的资金，经过了近20年的准备和建设，那台射电望远镜只使用了两年半。这样看，FAST的寿命已经很长了。科学的探索算的不是这个账，一个大型的科学装置不管花费了多少钱、能够用几年，它改变了人类对宇宙的认知，我觉得就是成功的、或者说就是值得的。

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