本刊編輯部

中國(guó)著名科幻作家劉慈欣在他的長(zhǎng)篇科幻小說(shuō)《三體》中，描述了地球文明為抵抗三體文明的殖民，與其展開(kāi)了長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年的激烈斗爭(zhēng)。在茫茫的宇宙中，地球人和三體人是如何發(fā)現(xiàn)對(duì)方的存在并交流信息的？這里面最關(guān)鍵的儀器就是射電天文望遠(yuǎn)鏡。正是在位于大興安嶺紅岸基地雷達(dá)峰的大型射電望遠(yuǎn)鏡的幫助下，人類第一次獲得了三體文明的信息，并對(duì)該信息進(jìn)行了回復(fù)，這才導(dǎo)致后面—系列故事的發(fā)生。

天文學(xué)是人類社會(huì)最早發(fā)展起來(lái)的一門學(xué)科，天文學(xué)中非常重要的手段之一就是“觀星”——對(duì)于天體的觀測(cè)。起初，人們通過(guò)肉眼觀測(cè)可見(jiàn)天體，后來(lái)就借助光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)，但是在射電望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)以前，天文學(xué)的研究對(duì)象只涉及可見(jiàn)宇宙，也就是那些能發(fā)出可見(jiàn)光的天體。而宇宙中的天體物質(zhì)不僅能發(fā)出可見(jiàn)光，還能發(fā)出各種“不可見(jiàn)光”，也就是其他波段的電磁波和各種粒子射線?？梢?jiàn)光只攜帶了宇宙中的一部分信息，其他部分的信息則隱藏在“不可見(jiàn)”的射頻電波里，射電天文學(xué)就是通過(guò)測(cè)量自然天體發(fā)出的射電信號(hào)來(lái)研究宇宙的奧秘。

2020年1月11日，被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST）通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，正式開(kāi)放運(yùn)行，開(kāi)啟了“睜眼看宇宙”的新征程。

為什么需要大口徑射電望遠(yuǎn)鏡

射電望遠(yuǎn)鏡的基本性能指標(biāo)有兩個(gè)靈敏度和分辨率。

靈敏度指射電望遠(yuǎn)鏡能“感受”到的最低能量值，靈敏度越高，能探測(cè)到的射電信號(hào)就越多，相應(yīng)地，發(fā)現(xiàn)的射電源也就越多、越遠(yuǎn)。

分辨率則是指能區(qū)分兩個(gè)鄰近的射電源的能力，分辨率越高，分辨本領(lǐng)就越大，就能將距離很近的兩個(gè)射電源區(qū)分開(kāi)。

增大望遠(yuǎn)鏡口徑是提高靈敏度和分辨率的主要途徑之一，另外也可以通過(guò)天線的形狀和材料來(lái)改變天線的工作波長(zhǎng)，以此提高靈敏度和分辨率。

記錄來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的信號(hào)

從20世紀(jì)30年代射電天文學(xué)誕生到現(xiàn)在，科學(xué)家研制出了大小不同、形式多樣的射電望遠(yuǎn)鏡。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，射電望遠(yuǎn)鏡就是捕捉、收集來(lái)自天體的射電波的工具，它通過(guò)高增益的天線，配以高靈敏度的接收機(jī)和相應(yīng)的后端設(shè)備，接收和記錄來(lái)自遙遠(yuǎn)天體的射電波信號(hào)。

射電天文學(xué)觀測(cè)的天體常處在離我們幾十億甚至是百億光年以外的深遠(yuǎn)宇宙空間，當(dāng)這些射電信號(hào)穿過(guò)茫茫宇宙時(shí)空到達(dá)地球上（這些信號(hào)不僅來(lái)自遠(yuǎn)方，而且來(lái)自上古時(shí)期），我們所能收集到的射電頻段天體輻射已經(jīng)變得十分微弱。有人曾經(jīng)估算過(guò)，從射電天文學(xué)發(fā)祥至今，所有的射電望遠(yuǎn)鏡接收的天體輻射能量，連一頁(yè)書都翻不動(dòng)，這是多么小的能量??！

就組成而言，射電望遠(yuǎn)鏡可以分為單口徑射電望遠(yuǎn)鏡和綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。

單口徑射電望遠(yuǎn)鏡與通信用的微波天線類似，通常分為3個(gè)主要部分，分別是反射面、接收機(jī)和指向裝置。反射面的形狀通常為拋物面，可以接收到遙遠(yuǎn)天體發(fā)射的平行電磁波并反射匯聚于拋物面焦點(diǎn)處的接收機(jī)。指向裝置則根據(jù)天體位置實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡、調(diào)節(jié)指向，這是因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，天體相對(duì)于望遠(yuǎn)鏡的位置會(huì)發(fā)生變化。

綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡則是由多個(gè)單口徑望遠(yuǎn)鏡組成的天線陣，單口徑射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)反射面的要求比較高，而綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡利用多天線干涉重建發(fā)射源的信息，要求則低一些。

此外，根據(jù)射電望遠(yuǎn)鏡的最短工作波長(zhǎng)，又可以將射電望遠(yuǎn)鏡劃分為厘米波射電望遠(yuǎn)鏡、毫米波射電望遠(yuǎn)鏡以及亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡。而在同一口徑下，工作波長(zhǎng)越短，分辨率就越高。

不同尋常的1994年

1994年是中國(guó)科技史上難忘的一年，正是在這一年，中國(guó)的科學(xué)家們做出一個(gè)重大的決定。讓我們把目光回溯到二十幾年前，看看到底發(fā)生了什么。

現(xiàn)代信息技術(shù)離不開(kāi)電磁波的發(fā)射和接收，如果說(shuō)電氣革命以后人們無(wú)法離開(kāi)電，那么信息革命之后，人們就再也離不開(kāi)電磁波了。衛(wèi)星信號(hào)、電視廣播信號(hào)、手機(jī)信號(hào)等，都離不開(kāi)電磁波的發(fā)射和接收。因此，人造電磁波信號(hào)越來(lái)越多。雖然人造電磁波信號(hào)給我們的生活帶來(lái)很多便利，但對(duì)于天文觀測(cè)來(lái)講，它們卻是“噪聲”的主要來(lái)源。在天文觀測(cè)中，電磁信號(hào)是主要的信號(hào)源（另外還包括各種粒子流、引力波信號(hào)等），通過(guò)分析不同天體發(fā)出的電磁波信號(hào)，可以獲得關(guān)于宇宙的信息，加深我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。而越來(lái)越多的人造電磁波信號(hào)會(huì)干擾我們對(duì)宇宙的“聆聽(tīng)”，科學(xué)家們?cè)缫岩庾R(shí)到這個(gè)問(wèn)題的嚴(yán)重性。

1993年8月26日，第24屆國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)合大會(huì)在日本召開(kāi)。在大會(huì)上，來(lái)自澳大利亞、加拿大、中國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、印度、荷蘭、俄羅斯、英國(guó)、美國(guó)10個(gè)國(guó)家的射電天文學(xué)家提出了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的計(jì)劃，希望在電波環(huán)境被徹底毀壞前，多捕捉一些來(lái)自外太空的射電信號(hào)，回溯原初宇宙，解答天文學(xué)上的眾多難題。

由于巨型望遠(yuǎn)鏡規(guī)模巨大，單一國(guó)家難以承擔(dān)，因此從一開(kāi)始，這一計(jì)劃就被確定為一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目。在會(huì)議之后，這些國(guó)家就開(kāi)始了對(duì)計(jì)劃先導(dǎo)單元的預(yù)研究。

1994年，中國(guó)科學(xué)院北京天文臺(tái)（現(xiàn)在的中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)）開(kāi)始主持相關(guān)工程概念的預(yù)研究，并聯(lián)合國(guó)內(nèi)20多家大學(xué)和研究所，成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國(guó)推進(jìn)委員會(huì)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室。從此，中國(guó)的科學(xué)家們精誠(chéng)團(tuán)結(jié)，開(kāi)始了對(duì)大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)研究。

1995年年底，射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國(guó)推進(jìn)委員會(huì)在借鑒美國(guó)阿雷西博球面射電望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造性地提出了利用中國(guó)貴州喀斯特洼地建造大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的工程概念，500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST）工程由此而來(lái)。

漫長(zhǎng)的選址過(guò)程

FAST工程從初期開(kāi)始，就基本確定在貴州建設(shè)，這是因?yàn)橘F州處于世界上三大連片的喀斯特發(fā)育區(qū)之一的東亞片區(qū)中心，是世界上分布面積最大、最集中連片的喀斯特區(qū)，也是世界上喀斯特發(fā)育最典型、類型最復(fù)雜、景觀類型最齊全的片區(qū)。

為什么選擇喀斯特地貌區(qū)域作為大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址？這是為了能夠安放射電望遠(yuǎn)鏡的巨大反射面。500米口徑的平面圓面積約為20萬(wàn)平方米，要安放這么大的一個(gè)半球，不僅需要20萬(wàn)平方米的占地面積，還需要至少200米的深度。而在喀斯特地貌區(qū)域，極有可能找到符合這樣條件的地點(diǎn)。

從1994年大口徑射電望遠(yuǎn)鏡的貴州選址工作啟動(dòng)，到2007年國(guó)家發(fā)改委原則同意將FAST項(xiàng)目列入國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目計(jì)劃、FAST項(xiàng)目正式立項(xiàng)為止，中國(guó)科學(xué)家做了長(zhǎng)達(dá)13年的預(yù)研究和優(yōu)化研究，在綜合考慮了自然地理、地貌發(fā)育控制因素、洼地的形態(tài)特征及資源環(huán)境等條件后，最終將FAST的臺(tái)址確定為貴州省平塘縣的大窩凼洼地。

大窩凼洼地是喀斯特地貌所獨(dú)有的一大片漏斗天坑群，就像一個(gè)天然的“巨碗”，正好可以將FAST的反射面盛放進(jìn)去，大大減少了工程的土方量。而且這里屬于空洞溶巖地質(zhì)，地下水可以通暢排泄，再加上良好的電磁環(huán)境以及低風(fēng)速、冬季少雨雪、無(wú)重大自然災(zāi)害記錄的自然條件，說(shuō)這里是專為FAST而生的，一點(diǎn)也不為過(guò)。

“天眼”工程的中國(guó)創(chuàng)造

為實(shí)現(xiàn)FAST的建設(shè)目標(biāo)，總共需要建設(shè)六大工程系統(tǒng)：臺(tái)址勘察與開(kāi)挖系統(tǒng)、主動(dòng)反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)、饋源與接收機(jī)終端系統(tǒng)、觀測(cè)基地建設(shè)系統(tǒng)。

全新的設(shè)計(jì)思路，再加上得天獨(dú)厚的臺(tái)址優(yōu)勢(shì)，使得FAST開(kāi)創(chuàng)了建設(shè)巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。從1994年開(kāi)始策劃到2007年確定臺(tái)址，中間經(jīng)歷13年;從2007年FAST項(xiàng)目列入國(guó)家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目計(jì)劃到2011年工程開(kāi)工，前期籌備過(guò)程經(jīng)歷了4年的時(shí)間;從2011年3月25日開(kāi)始施工建設(shè)到2016年9月25日FAST正式“開(kāi)眼”，中間經(jīng)歷了5年零6個(gè)月，工程的投資總計(jì)為6.67億人民幣，這期間的建設(shè)過(guò)程漫長(zhǎng)而艱辛，卻又激動(dòng)人心。這一工程的成功實(shí)現(xiàn)，不僅和中國(guó)科學(xué)家們的精誠(chéng)合作密不可分，也離不開(kāi)工程建設(shè)人員的日夜奮戰(zhàn)，更離不開(kāi)決策者的高瞻遠(yuǎn)矚和全國(guó)人民的大力支持。

作為我國(guó)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的巨型射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST突破了多種關(guān)鍵技術(shù)，主動(dòng)反射面的運(yùn)用可以說(shuō)是FAST的最大創(chuàng)舉。以往的射電望遠(yuǎn)鏡雖然是固定式的反射面（如美國(guó)的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡），但其實(shí)對(duì)于觀測(cè)對(duì)象來(lái)講是不固定的，因?yàn)榈厍蛟诓煌５刈赞D(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，所以固定式反射面由于地球自轉(zhuǎn)的作用，并不能把信號(hào)匯聚在一個(gè)焦點(diǎn)上，而是匯聚在一條焦線上，這會(huì)給觀測(cè)帶來(lái)非常大的限制。而FAST通過(guò)主動(dòng)反射面技術(shù)，能將觀測(cè)天頂角擴(kuò)大到40°范圍的天區(qū)。

另外，光機(jī)電一體化的饋源支撐系統(tǒng)也是一大創(chuàng)新。在500米巨大的空間尺度上，處于焦點(diǎn)處的接收機(jī)與反射面之間不可能使用剛性連接，假設(shè)采用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的指向跟蹤平臺(tái)方案，平臺(tái)重量會(huì)超過(guò)萬(wàn)噸，根本沒(méi)有可行性。因此，中國(guó)的科學(xué)家們發(fā)展了光機(jī)電一體化的索拖動(dòng)技術(shù)，使用6根鋼索將接收機(jī)的饋源艙拖到焦點(diǎn)處，并附加一個(gè)精調(diào)機(jī)器人抵消鋼索的震動(dòng)，在索驅(qū)動(dòng)和并聯(lián)機(jī)器人二次精密調(diào)控的結(jié)合下，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)空間定位，最終實(shí)現(xiàn)高精度的指向跟蹤。

FAST的研制成功，為我國(guó)射電天文學(xué)、深空探測(cè)通信以及相關(guān)基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展提供了更多的突破性機(jī)遇，使我國(guó)一躍成為射電天文的強(qiáng)國(guó)。

FAST的科學(xué)目標(biāo)

作為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來(lái)20-30年內(nèi)保持世界一流設(shè)備的地位;作為一個(gè)多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺(tái)，F(xiàn)AST將為宇宙大尺度物理學(xué)、物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和規(guī)律等眾多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域提供發(fā)展和突破基礎(chǔ)，也將

數(shù)字解讀FAST

接下來(lái)，我們通過(guò)一些具體的數(shù)字，更加直觀地了解FAST這個(gè)“觀天巨眼”。

FAST的口徑達(dá)到500米，是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，從頂部圓心到底部圓心的垂直距離為138米，相當(dāng)于50多層樓高。

整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)圈梁長(zhǎng)度為1600米，消耗鋼材5600噸，總工程量相當(dāng)于1/4個(gè)鳥巢。

反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)由近9000根高精度、高強(qiáng)度鋼索連接而成，在半空中形成一張重達(dá)1600噸的鋼質(zhì)索網(wǎng)。

反射面由4450塊邊長(zhǎng)達(dá)10-12米的三角形主動(dòng)反射單元拼裝形成，球形反射面的面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)大小。

在山崖上修建了6座饋源支撐塔，最高達(dá)168米，通過(guò)鋼索懸吊的方式，支撐控制重達(dá)30噸的饋源艙。

FAST的探測(cè)靈敏度要比此前世界最先進(jìn)的美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡高近2.5倍，將人類的視野拓展得更深、更遠(yuǎn)。在日地環(huán)境研究、國(guó)防建設(shè)、國(guó)家安全等方面發(fā)揮不可替代的作用。

雖然科學(xué)上的發(fā)現(xiàn)是不可計(jì)劃和難以預(yù)測(cè)的，但是在可預(yù)見(jiàn)的領(lǐng)域內(nèi)，F(xiàn)AST將在很多方面實(shí)現(xiàn)科學(xué)和技術(shù)上的重大突破——

巡視宇宙中的中性氫。氫是宇宙中最簡(jiǎn)單同時(shí)也是最豐富的元素，對(duì)中性氫的觀測(cè)，將有望在暗物質(zhì)暗能量、星系形成與演化等方面取得進(jìn)展。

觀測(cè)脈沖星。脈沖星的發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是20世紀(jì)后半葉最偉大的天文發(fā)現(xiàn)之一。脈沖星是一種高速旋轉(zhuǎn)并具有極高密度的極端星體，有著規(guī)律變化的脈沖信號(hào)，周期從1毫秒多到數(shù)秒不等。根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真，F(xiàn)AST使用多波束饋源做1小時(shí)積分時(shí)間的巡視，能用一年時(shí)間發(fā)現(xiàn)4000余顆未知的脈沖星。

探索星際分子。利用FAST的高靈敏度，可以搜尋銀河系中的長(zhǎng)鏈碳分子。如果找到的話，將會(huì)對(duì)生命起源的研究產(chǎn)生重大影響。

搜索星際通信信號(hào)。根據(jù)我們的生產(chǎn)生活經(jīng)驗(yàn)，智慧生命的基本特征之一就是能夠發(fā)射通信信號(hào)。在月球旅行和火星旅行即將實(shí)現(xiàn)的時(shí)代，在不斷發(fā)現(xiàn)大量系外行星以及類地行星的時(shí)代，尋找地外文明已經(jīng)變得比以往任何時(shí)候都更加迫切。FAST將用前所未有的高效率搜尋、識(shí)別可能的地外通信信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地外文明的搜索。

當(dāng)之無(wú)愧的國(guó)之重器

2016年9月25日，F(xiàn)AST正式落成并啟用。

根據(jù)國(guó)際慣例和大型地面設(shè)備的使用規(guī)律，大型望遠(yuǎn)鏡竣工之后要經(jīng)過(guò)2-3年的時(shí)間才能正式運(yùn)行，而這2-3年的時(shí)間，是大型望遠(yuǎn)鏡調(diào)試階段，這是科學(xué)家們嚴(yán)謹(jǐn)工作作風(fēng)的體現(xiàn)。FAST也遵循這樣的慣例，調(diào)試結(jié)束之后才能通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)面向國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)放。在調(diào)試階段，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)牽頭國(guó)內(nèi)多家單位，在FAST科學(xué)和工程團(tuán)隊(duì)的密切協(xié)作之下，實(shí)現(xiàn)了指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測(cè)模式的順利運(yùn)行。

FAST正式“開(kāi)眼”一周年后，2017年的10月10日，在中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)舉行了首批成果發(fā)布會(huì)。在發(fā)布會(huì)上，研究人員公布了首批認(rèn)證的兩顆脈沖星：一顆編號(hào)J1859-0131，自轉(zhuǎn)周期為1.83秒，據(jù)估算距離地球1.6萬(wàn)光年;一顆編號(hào)J1931-01，自轉(zhuǎn)周期0.59秒，據(jù)估算距離地球約4100光年。兩顆脈沖星分別由FAST于2017年8月22日、25日通過(guò)漂移掃描發(fā)現(xiàn)。其實(shí)，當(dāng)時(shí)FAST已探測(cè)到了數(shù)十個(gè)優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，但候選體并不能作為最終的結(jié)果。為了確保結(jié)果的可靠性，經(jīng)國(guó)際合作，例如利用澳大利亞64米帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，最終認(rèn)證了上述兩顆。澳大利亞帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡科學(xué)主管喬治-霍布斯評(píng)價(jià)說(shuō)，“這是國(guó)際天文學(xué)界最令人激動(dòng)的事件之一”。

2018年4月18日，F(xiàn)AST首次發(fā)現(xiàn)的毫秒脈沖星也得到國(guó)際認(rèn)證，這是FAST繼發(fā)現(xiàn)脈沖星后的另一個(gè)重大成果。首次發(fā)現(xiàn)的脈沖星的自轉(zhuǎn)周期均為秒級(jí)別，而這次發(fā)現(xiàn)的脈沖星的自轉(zhuǎn)周期在毫秒級(jí)別！這顆脈沖星被命名為J0318+0253，自轉(zhuǎn)周期為5.19毫秒。根據(jù)估算，它距離地球約4000光年，是至今發(fā)現(xiàn)的射電流量最弱的高能毫秒脈沖星之一。國(guó)際大型射電天文臺(tái)曾對(duì)其進(jìn)行過(guò)多次搜索，例如美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡就在2013年6月開(kāi)展了3次定點(diǎn)觀測(cè)，都未探測(cè)到它。毫秒級(jí)脈沖星的發(fā)現(xiàn)，展示了FAST在科研方面的重大潛力。

科技是國(guó)之利器，大科學(xué)裝置無(wú)疑是利器的鋒刃，是當(dāng)之無(wú)愧的國(guó)之重器。20多年鑄就而成的“中國(guó)天眼”，值得信賴，更值得期待！

（責(zé)任編輯：張潔白玉磊責(zé)任校對(duì)：趙夢(mèng)祺）