FAST:射電望遠(yuǎn)鏡中的傳奇

王麟

又到了周末讀書時(shí)間，在爸爸的書房里，小天正抱著一本科學(xué)畫冊看得津津有味，這時(shí)候姐姐小菲走了進(jìn)來，問道：“你看什么書呢？這么入迷。”

小天興奮地將畫冊攤在小菲面前，說道：“這是講古代航海的一篇文章，里面介紹的古代航海導(dǎo)航技術(shù)，真的很有趣啊！”

“古人航海用什么導(dǎo)航呢？”小菲又問道。

“如果在內(nèi)海航行就用燈塔導(dǎo)航，如果到了外海，大船航行就需要指南針的幫助了。”小天回答道。

這時(shí)候爸爸走了進(jìn)來，問了一句：“如果將來我們?nèi)祟惾ビ钪嬷泻叫校怯檬裁磳?dǎo)航啊？”

小菲和小天一瞬間都瞪大了眼睛，小天說：“是呀，茫茫宇宙，沒有燈塔，也用不了指南針，宇宙飛船用什么來導(dǎo)航呢？”

看到姐弟倆臉上困惑的表情，爸爸笑了起來：“當(dāng)然是用‘宇宙燈塔導(dǎo)航啦！‘宇宙燈塔就是脈沖星，那是一種可以規(guī)律發(fā)出強(qiáng)大電磁波的星體，就像浩瀚宇宙中的精準(zhǔn)時(shí)鐘，完全可以為人類探索外太空提供導(dǎo)航幫助。”

爸爸是個(gè)天文愛好者，談起脈沖星來滔滔不絕。介紹完脈沖星的特征，爸爸又問了一個(gè)問題：“知道哪個(gè)國家發(fā)現(xiàn)的脈沖星最多嗎？”

小天和小菲搖了搖頭，爸爸也不再賣關(guān)子，直接公布答案：“是中國發(fā)現(xiàn)的最多。這都要?dú)w功于咱們的FAST，也就是被稱為中國天眼的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。它從2016年建成至今，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過740顆脈沖星，讓我國成為脈沖星研究領(lǐng)域的佼佼者。除了脈沖星，F(xiàn)AST還發(fā)現(xiàn)了大量射電暴等宇宙事件，使得我國相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)迅速成為國際快速射電暴的核心研究力量。”

爸爸看到兩個(gè)孩子求知若渴的樣子，就說：“今天我就給你們講講FAST的故事吧！”

小菲和小天拍手稱好。

“先告訴你們一個(gè)不幸的消息：2020年，使用了57年之久的350米口徑的全球第二大球面射電望遠(yuǎn)鏡——美國的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡坍塌損毀了，這是科技界的重大損失。因此，F(xiàn)AST現(xiàn)在是最先進(jìn)的，至少領(lǐng)先其他國家二三十年！”爸爸說道。

小天和小菲的好奇心被激發(fā)出來，爭先恐后地問道：“爸爸，F(xiàn)AST到底有多先進(jìn)呢？”

爸爸答道：“第一個(gè)先進(jìn)之處就是它的口徑大，整整500米，占地約30個(gè)足球場的面積，填滿了貴州省整整一個(gè)巨大的圓形山坳（00）。第二就是它的反射面大，總面積約25萬平方米，由4450塊半透明半鏤空的三角形反射面板組成。每塊反射面板邊長為10.4～12.4米，重量為427～482.5千克，而厚度只有約1.3毫米。這些反射面板是可動(dòng)的，從而使整個(gè)球面可以自動(dòng)調(diào)整方向，能讓接收的電磁波自動(dòng)聚焦，更好地接收信息。它第三個(gè)令人驚嘆的本領(lǐng)就是具有極高的靈敏度，它的靈敏度相比100米口徑的德國波恩射電望遠(yuǎn)鏡提高了10倍，能接收137億光年以外的電磁波信號，這個(gè)距離接近目前可視宇宙的邊緣呢。”

小天問：“這么先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，咱們國家一定花了不少錢吧？”

爸爸點(diǎn)點(diǎn)頭：“造價(jià)有幾十億元人民幣吧。不過FAST帶來的科學(xué)收獲可是無價(jià)的，不是用金錢能衡量的。它在長達(dá)22年的籌備和建造期間解決的技術(shù)難題真值得大書特書！”

“建造FAST都解決了哪些技術(shù)難題？”小菲追問道。

爸爸繼續(xù)講道：“建造FAST首先要解決選址問題。射電望遠(yuǎn)鏡需要搜索來自宇宙深處天體發(fā)出的微弱無線電信號，不能有一絲一毫的外界干擾，因?yàn)檫@些信號實(shí)在太微弱了！微弱到什么程度呢？全世界70年來所有射電望遠(yuǎn)鏡接收的信號總能量還翻不動(dòng)一頁書！因此，射電望遠(yuǎn)鏡必須安裝在遠(yuǎn)離城市、人口稀少的地方，保證環(huán)境足夠安靜，沒有人類活動(dòng)干擾。經(jīng)過長時(shí)間的勘探、比較，科學(xué)家們最終選擇了貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的大窩凼洼地作為FAST的臺址。這個(gè)洼地直徑600米，深達(dá)300米，正好與FAST的口徑吻合，大大降低了工程造價(jià)。

“FAST要解決的第二個(gè)技術(shù)難題就是為4450塊反射面板找一個(gè)安全、穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。剛才說一塊反射面板就有400多千克重，那么4000多塊面板的重量，怎么才能撐住呢？不僅要撐住，還想實(shí)現(xiàn)反射面板可改變角度這個(gè)世界首創(chuàng)的設(shè)計(jì)，這要求構(gòu)成索網(wǎng)的鋼索像彈簧一樣有一定的伸縮性，還要求每根鋼索的加工精度要達(dá)到1毫米，這樣的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，國際上未有先例。科學(xué)家們持續(xù)全方位地改進(jìn)索體工藝，一根鋼索要進(jìn)行200萬次疲勞測試。經(jīng)歷了近百次的失敗后，他們終于成功解決了這個(gè)關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)了世界創(chuàng)舉，研制出了世界上跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是世界上第一個(gè)變位工作的索網(wǎng)體系。它由6670根主索和2225根下拉索構(gòu)成，跨度達(dá)500米。

索具是指為了實(shí)現(xiàn)物體挪移系結(jié)在起重機(jī)械與被起重物體之間的受力工具，以及為了穩(wěn)固空間結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件。索網(wǎng)是土木工程中的專有名詞，可簡單理解為網(wǎng)狀的索具。

“FAST解決的第三個(gè)技術(shù)難題就是望遠(yuǎn)鏡反射面板的設(shè)計(jì)。考慮到各種環(huán)境因素和風(fēng)險(xiǎn)意外，最終設(shè)計(jì)的反射面板都有小孔、透光率為50%，這樣既可以防止鏡面上積水影響FAST探測信號的性能，又能將雨水滲漏到望遠(yuǎn)鏡下面的植被上面，不影響植物的生長。

“FAST解決的第四個(gè)技術(shù)難題就是饋源艙的設(shè)計(jì)。如果說FAST是觀測深空的巨眼，那么饋源艙就猶如這只眼睛的瞳孔。饋源艙就是射電望遠(yuǎn)鏡的接收機(jī)，用來接收反饋的無線電信號。安放信號接收機(jī)的饋源艙重約30噸，懸吊在500米口徑球面的中央，通過周邊的6個(gè)支撐塔以及6根牽引著饋源艙的鋼索來進(jìn)行懸吊和支撐。大多數(shù)傳統(tǒng)射電望遠(yuǎn)鏡的饋源艙位置是固定的，或僅可以微調(diào)。懸掛于半空中、可移動(dòng)的饋源艙是FAST的又一大創(chuàng)新呢！”

小天和小菲都聽愣了。小菲感嘆道：“科學(xué)家們真了不起啊，解決了這么多難題。”小天接著說：“FAST簡直是現(xiàn)代工程奇跡啊！”

“是呀！FAST涉及天文、測量、控制、電子、機(jī)械、材料等眾多學(xué)科，凝結(jié)了20多家科研機(jī)構(gòu)、上百名科研人員的心血。除了發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星，建立好宇宙導(dǎo)航系統(tǒng)，助力人類實(shí)現(xiàn)星際旅行的夢想外，它還將進(jìn)一步在低頻引力波探測、快速射電暴起源、星際分子等研究前沿發(fā)揮巨大作用，幫助科學(xué)家們勇攀世界科技高峰。如今這臺射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)向全球天文學(xué)界開放使用，這也是中國為世界科技發(fā)展做出的又一重大貢獻(xiàn)吧！”爸爸自豪地說。

為了解答小天和小菲心中關(guān)于“建造FAST花費(fèi)巨大，到底值不值”的疑問，爸爸帶他們?nèi)グ菰L了中國科學(xué)院國家天文臺研究員、FAST首席科學(xué)家李菂。李菂給孩子們分享了他對FAST價(jià)值的認(rèn)識：

銀河系中普遍存在著大規(guī)模磁場，我們?nèi)祟惒恢浪菑哪膬簛淼摹＝裉欤覀儜?yīng)該已經(jīng)摸到了它的“邊緣”，而這很大程度上就是依靠科學(xué)研究設(shè)備、依靠FAST這個(gè)平臺實(shí)現(xiàn)的。

FAST的英文縮寫是“快”的意思，但實(shí)際上FAST是一個(gè)比較“慢”的望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)樗目刂埔苿?dòng)特別復(fù)雜。我們可以用它來做巡天，雖然速度相對會(huì)慢一些，但是非常有用。

目前天文學(xué)的很多核心目標(biāo)都需要通過巡天來實(shí)現(xiàn)。以前，我們做一個(gè)科研項(xiàng)目可能要用10年，那三四個(gè)項(xiàng)目就要做三四十年。現(xiàn)在不一樣了，我們有FAST，只要完整掃過天空一次，就可以同時(shí)采集能夠適用于不同科學(xué)目標(biāo)的數(shù)據(jù)了。在過去半個(gè)世紀(jì)的射電天文學(xué)領(lǐng)域，沒有人能實(shí)現(xiàn)這個(gè)想法。現(xiàn)在，基于“高時(shí)頻噪聲注入”這個(gè)中國原創(chuàng)技術(shù)，F(xiàn)AST能夠?qū)崿F(xiàn)“多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天”。我們在研究中也取得了一系列精確測量宇宙電磁場特征的重要發(fā)現(xiàn)，有代表性的有兩個(gè)。

一個(gè)是對銀河系星際空間的磁場測量。20年來，我和我的同行們都認(rèn)識到了它的科研價(jià)值，但是一直都沒有成功。直到2021年，我們才精確測量到了星際空間中非常微弱的磁場，這是對恒星形成具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)。

另一個(gè)是我們現(xiàn)在沒有辦法解釋的非常劇烈的宇宙爆炸現(xiàn)象——快速射電暴。快速射電暴出現(xiàn)的時(shí)間非常短，蘊(yùn)含的能量非常巨大，千分之幾秒釋放出的能量就足夠支撐全球人類用一萬億年。

宇宙中的大尺度磁場是怎么來的？還有關(guān)于這個(gè)問題的一系列的衍生效應(yīng)，比如太陽是一個(gè)飄在空間里的核聚變反應(yīng)堆，那么它是怎么把氣體“捏”到一塊的？太陽周圍怎么又出現(xiàn)了地球？地球上怎么又出現(xiàn)了生命？這里的生命怎么又發(fā)明了手機(jī)？……整個(gè)發(fā)展過程中的每一步，磁場都很重要！

越困難的目標(biāo)，或者說需要我們探索的時(shí)間越長的目標(biāo)，當(dāng)它實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，給我們帶來的幸福感、滿足感就越強(qiáng)烈。我們?nèi)〉玫倪@些發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AST功不可沒。它不光大，光路也非常干凈，能發(fā)現(xiàn)來自宇宙的電磁場的精細(xì)特征。沒有FAST的話，我們可能再工作20年也難有收獲。FAST是把人類的“感官總和”往前挪了一大步，讓人類能夠更清晰地觀測宇宙，相信宇宙的豐富多彩也不會(huì)讓觀測者失望。

現(xiàn)在，F(xiàn)AST的運(yùn)行已經(jīng)走上正軌，各種數(shù)據(jù)的采集、存儲、傳輸?shù)榷家呀?jīng)形成了一個(gè)可以遠(yuǎn)程處理的系統(tǒng)。FAST的設(shè)計(jì)壽命是30年，根據(jù)它現(xiàn)在的運(yùn)行情況來看，用50年應(yīng)該是沒有問題的。我之前參加過美國航空航天局和歐洲航天局的一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目，它花費(fèi)了10億美元數(shù)量級的資金，經(jīng)過了近20年的準(zhǔn)備和建設(shè)，那臺射電望遠(yuǎn)鏡只使用了兩年半。這樣看，F(xiàn)AST的壽命已經(jīng)很長了。科學(xué)的探索算的不是這個(gè)賬，一個(gè)大型的科學(xué)裝置不管花費(fèi)了多少錢、能夠用幾年，它改變了人類對宇宙的認(rèn)知，我覺得就是成功的、或者說就是值得的。