揭秘世界第一大單口徑射電望遠鏡

邱晨輝++王景爍

被譽為“觀天巨眼”的世界第一大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球冠狀主動反射面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）7月3日宣告其主體工程完成。

當日，貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村，FAST工程大窩凼臺址現場，最后一塊反射面單元吊裝完畢。隨著FAST工程總經理、中國科學院國家天文臺臺長嚴俊一聲令下，最后一塊反射面單元隨著鞭炮聲緩緩起吊，在完成了兩次空中轉接并用纜索吊下滑到指定位置后被順利安裝在索網上。

反射面工程是FAST最后一個設備工程，其完成標志著FAST主體工程的順利完工。

國際上最大單口徑射電望遠鏡

什么是射電望遠鏡？1932年，美國無線電工程師卡爾·央斯基用無線電天線探測到了來自銀河系中心的射電輻射，自此，人類打開了傳統光學波段之外進行天文觀測的另一個窗口。

射電望遠鏡通過接收來自宇宙的電波信號來獲取并分析各種信息。通常情況下，射電望遠鏡由定向天線或天線陣、饋電線、高靈敏度接收機和記錄儀等部分組成。其中，接收機具有極高的靈敏度和穩定性，它將微弱的天體電波高倍放大后進行檢波，再將高頻信號轉變為低頻形式記錄下來。

半個多世紀過去了，人類目前造出的射電望遠鏡收集到的能量還不夠翻動一頁紙。正如中國科學院國家天文臺FAST工程首席科學家、總工程師南仁東所描述的，宇宙空間混雜各種輻射，遙遠的信號像雷聲中的蟬鳴，沒有超級靈敏的耳朵，根本分辨不出來。

剛剛完成主體工程的FAST就是一只備受期待的“靈敏大耳朵”。FAST工程常務副經理、中國科學院國家天文臺副臺長鄭曉年告訴記者，FAST擁有30個足球場大的接收面積，將是國際上最大的單口徑射電望遠鏡。

反射面有30個足球場面積大

與號稱“地面最大機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，FAST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Arecibo 300米望遠鏡相比，其綜合性能提高約10倍。

相應地，天文界對FAST給予了不小期待。在科學方面，科學家們希望FAST能夠巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化；觀測脈沖星，研究極端狀態下的物質結構與物理規律；主導國際低頻甚長基線干涉測量網，獲得天體超精細結構；探測星際分子；搜索可能的星際通訊信號。

“目前天文界所發現的脈沖星還都是銀河系以內的，我們希望通過FAST發現銀河系以外的脈沖星。”鄭曉年說。FAST試圖回答的是更久遠的問題，比如宇宙演化、脈沖星探測和星際分子。它將幫助解開宇宙初始混沌、暗物質分布與大尺度結構，以及星系演化等領域的謎團。

在工程方面，FAST的建成將推動我國在天線制造技術、微波電子技術、并聯機器人、大跨度結構、公里范圍高精度動態測量等眾多高科技領域的發展。鄭曉年表示，建成后的FAST將在日地環境研究、搜尋地外文明、國防建設和國家安全等國家重大需求方面發揮不可替代的作用。

主動反射面系統是FAST望遠鏡的重要組成部分，共有4450塊的反射面板單元，包括4273塊基本類型和177塊特殊類型。反射面單元邊長為10.4～12.4米，每塊單元重427.0～482.5公斤，厚度約1.3毫米。

FAST工程總工藝師、中國科學院國家天文臺研究員王啟明說，2015年8月3日，FAST反射面單元吊裝工程開始施工。從起初每天只能拼裝一塊發射面單元，再到日均拼裝20塊、高峰值達到37塊，施工人員克服了大尺度、高精度的拼裝施工難點及跨度大、位置高等吊裝施工難題。

王啟明說，一塊塊反射面單元在地面經過拼裝、測量、報驗等步驟形成合格單元后，通過塔吊、轉運車、纜索吊等一系列高空工序將每一塊單元運至指定位置進行安裝。經過11個月的艱苦奮斗，30個足球場面積的反射面由一塊塊反射面單元鋪設完成。

超級望遠鏡如何誕生

FAST主反射面的面積達25萬平方米，由近46萬塊三角形單元拼接而成。它的圈梁被50根6～50米高低不等的鋼柱支在半空，周長約1.6公里，繞走一圈約要40分鐘。

據鄭曉年介紹，全新的設計思路，加上得天獨厚的臺址優勢，使得FAST突破了射電望遠鏡的百米極限，開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式，并將在未來10～20年保持世界一流設備的地位。鄭曉年表示，通過觀測更深遠、更清晰的宇宙，無論是在最熱的脈沖星領域，還是在引力波探測方面，FAST都將為中國科學家帶來前所未有的機遇。

首先，它利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺址；其次，洼坑內鋪設數千塊單元組成500米口徑球冠狀主動反射面，球冠反射面在射電電源方向形成300米口徑瞬時拋物面，使望遠鏡接收機能與傳統拋物面天線一樣處在焦點上；第三，采用輕型索拖動機構和并聯機器人，實現接收機的高精度定位。

1993年國際無線電聯大會上，包括中國在內的10國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議。隨后，以北京天文臺為主，聯合國內20余所大學和研究所成立了射電“大望遠鏡”中國推進委員會，提出建設“喀斯特工程”。

FAST工程辦公室主任張蜀新透露，FAST主體工程完工后，將進入全系統聯合調試階段，以全面檢測FAST的建設是否達到當初設計的工程目標。他說，按照計劃，一些相關的科研配套設施也在緊張建設中，預計今年9月，FAST工程將正式竣工。