李鈺 李云龍

宇宙的浩瀚總能引起人們無限的遐想，星空的神秘召喚著人類不斷探索。1967年，人類首次發(fā)現(xiàn)了一種能夠發(fā)出周期性電波的天體，這個旋轉(zhuǎn)的中子星不斷發(fā)出電磁脈沖信號，因此得名脈沖星。脈沖星密度極高，每立方厘米重達上億噸。它的自轉(zhuǎn)速度很快、自轉(zhuǎn)周期精確，是目前宇宙中最精確的計時參考。脈沖星的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了巨大的轟動，這是完全超出人們預(yù)料的意外收獲。在過去50多年里，人類已經(jīng)至少發(fā)現(xiàn)了2700顆脈沖星。脈沖星的研究價值很高，從近期來看，對于脈沖信號的研究和探索將有助于星際導(dǎo)航的開發(fā)和使用。從長遠(yuǎn)講，對脈沖星的觀測，有希望找到許多重大物理學(xué)問題的答案，也是我們探秘“地外文明的重要一步。

那么，借助什么工具オ能看到地球的世界呢？答案是射電望遠(yuǎn)鏡，而說起它，必須要說說我們的“中國天眼”。

“天眼”精彩亮

“中國天眼”（簡稱“天眼”）是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）的俗稱，建設(shè)于貴州省黔南大窩凼（dang）的喀斯特深坑中。這個被人們稱為“大鍋”的龐然大物，是具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)目前世界上最大且最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。它是自中國天文學(xué)家南仁東于994年提出構(gòu)想后，歷時22年オ建成的搜尋和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星是“天眼”的核心科學(xué)目標(biāo)。

“天眼”借助天然圓形溶巖坑建造，反射鏡邊框是1500米長的環(huán)形鋼梁，而鋼索依托鋼梁懸垂交錯，呈現(xiàn)出球形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，主動反射面直徑為500米，由4450個三角形面板組成，反射面總面積達25萬平方米，相當(dāng)于30多個標(biāo)準(zhǔn)足球場那么大，用于匯聚無線電波。

“天眼”使人類向宇宙未知地帶探索的眼力更加深邃，眼界更加開闊：它能把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高100倍;它能最遠(yuǎn)觀測到137億光年之外，這一數(shù)字已經(jīng)接近宇宙邊緣，即便是在月球上打電話，也能被“天眼”聽得清二楚;它能把脈沖星信號到達時間測量精度由120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈沖星計時陣，為自主導(dǎo)航這前瞻性研究制作脈沖星鐘;它能進行高分辨率微波巡視，識別微弱的空間信號，作為被動戰(zhàn)略雷達為國家安全服務(wù)。

未來，“天眼”還將在中性氫觀測、譜線觀測、尋找可能的星際通信信號等方面進行探索。我們知道，無論哪種文明，只要科技發(fā)展到一定程度，就必然離不開無線電通信，越是強大的文明，無線電波技術(shù)越高，發(fā)出的無線電信號也越強。如果我們能接收到這樣的信號，經(jīng)過破解就有可能發(fā)現(xiàn)外星文明的存在和位置。據(jù)科學(xué)家介紹，如果銀河系內(nèi)存在外星人，“天眼”就能捕捉到其信息

自2016年9月落成啟用至今，“天眼”已發(fā)現(xiàn)300多顆脈沖星，成績驕人。2021年4月1日，“天眼”正式面向全球科學(xué)家開放，與世界共享科學(xué)成果，這將為人類認(rèn)識宇宙、探索宇宙做出巨大貢獻。

素網(wǎng)結(jié)枃助力宇畝觀測

很難想象，這樣一個大鍋形狀的巨物竟然是一臺望遠(yuǎn)鏡。實際上，“天眼”的工作原理和光學(xué)設(shè)備是一樣的，都是將電磁波反射到一點，然后進行接收及分析。換句話說，“天眼”相當(dāng)于物理實驗中的凹面鏡。

但是，“天眼”又絕不是制造一個巨型凹面鏡這么簡單。它突破了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的工程極限，很多關(guān)鍵技術(shù)和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域里都沒有可借鑒的經(jīng)驗。比如，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的建設(shè)過程，需要考慮超大跨度索網(wǎng)安裝、超高疲勞性能和超高精度鋼索結(jié)構(gòu)等諸多技術(shù)問題。索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是“天眼”主動反射面的主要支撐結(jié)構(gòu)，也是反射面主動変位工作的關(guān)鍵一點?！疤煅邸钡乃骶W(wǎng)結(jié)構(gòu)直徑500米，由6670根主索、2225個主索節(jié)點以及相同數(shù)量的下拉索組成。其中，主索索段控制精度達1毫米以內(nèi)，主索節(jié)點位置的精確程度達5亳米，索網(wǎng)構(gòu)件疲勞強度不低于500兆帕，這是網(wǎng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的2.5倍。由于喀斯特地貌的限制，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的拼裝和維護都是在高空進行。

“天眼”索網(wǎng)是目前世界范圍內(nèi)跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時也是世界上首個采用變位工作方式的索網(wǎng)體系?！疤煅邸彼骶W(wǎng)有2400個連接節(jié)點和4450個反射面單元，每個連接節(jié)點下方有液壓促動器。根據(jù)觀測天體的方位，利用促動器可實時控制下拉索伸縮到指定位置，在反射面的不同區(qū)域形成直徑達300米的拋物面，這樣就能更加靈活、準(zhǔn)確地完成天體觀測活動。

“天眼”能大量觀測到脈沖星，這種獨特的主動變位工作方式居功至偉。

“天眼”也“眼保健操”

“天眼”是精密而脆弱的儀器。如果把它比作人類的眼睛，反射面板相當(dāng)于人眼的視網(wǎng)膜，而液壓促動器就是控制眼部肌肉的神經(jīng)元。正如人類的眼睛會疲勞、生病一樣，“天眼”也需要細(xì)致的維護和檢修。

如何為“天眼”做“眼保健操”呢？為了能準(zhǔn)確地按摩到“天眼”的“穴位”，技術(shù)團隊建立了反射面安全評估系統(tǒng)，即運用全過程仿真技術(shù)，將反射面用力學(xué)模型數(shù)字化，這樣就可以實現(xiàn)對節(jié)點的實時監(jiān)測，促動器工作狀態(tài)超出安全范圍，將被反饋至控制室，便于工作人員及時保養(yǎng)維護。

“天眼”直徑為500米，垂直高度差達50米，傾角近60度，表面是厚度只有1毫米、開孔50%的鋁合金面板。這些金屬面板該如何維護和檢修呢？

如果工作人員直接站在反射面板上就會給面板造成極大的壓力和損傷。為了減少表面損傷，不影響正常觀測作業(yè)，設(shè)計團隊花費半年時間，終于運用“微重力蜘蛛人技術(shù)”解決了反射面板的日常維護問題。

微重力蜘蛛人技術(shù)，顧名思義就是采用浮力配重平衡技術(shù)，使用直徑超6米的巨大氨氣球?qū)⒐ぷ魅藛T“吊”在“大鍋”表面，利用氨氣球的浮力抵消工作人員自身大部分體重，甚至零重力，讓他們能夠到達反射面任意位置執(zhí)行巡檢和維護作業(yè)又不會損傷面板。

“天眼”這個龐然大物看似簡單、笨重，實際上每個環(huán)節(jié)的設(shè)計都凝結(jié)著技術(shù)團隊幾個月甚至幾年的辛苦付出。為了讓天眼”更加明亮，中國團隊也在不斷突破創(chuàng)新。中國同世界一道，正迎來射電天文發(fā)展的黃金時期。

中國天眼”讓世界遙望宇宙，看見未來。