世界最大最灵敏单口径射电望远镜——
“中国天眼”，聆听宇宙的声音(开卷知新)
姜 鹏
《人民日报》(2021年04月29日第20版)
2021年3月31日，“中国天眼”(FAST)正式向全球天文学家开放。“中国天眼”是什么？它是我国具有自主知识产权、用于探索宇宙的单口径球面射电望远镜。有了它，可以推动对宇宙深空的了解与探测，为天文学的发展提供新的可能。
“中国天眼”有多大？它口径500米，发射面积相当于30个标准足球场那么大。如果在里面倒满矿泉水，全世界70亿人平均每人可分4瓶。它能看多远？能看穿130多亿光年的区域，接近宇宙边缘。目前，“中国天眼”是世界上最大的也是最灵敏的单口径射电望远镜。
借鉴抛物面天线原理，从地球聆听来自宇宙的信号
“中国天眼”的学名是500米口径射电望远镜。不同于常见的通过可见光进行观测的光学望远镜，射电望远镜通过接收宇宙中不可见的无线电波来“观测”宇宙。我们上方厚厚的大气层有两个“窗口”： 一个是可见光窗口，千百年来人类都是通过这个窗口观测宇宙的；一个是无线电窗口，上世纪30年代，无线电天文学先驱卡尔·央斯基偶然发现了来自银河系中心的信号，射电天文学的大幕由此拉开，推动人类认识宇宙起源、生命起源。
“中国天眼”是当今射电天文学的“重器”。其基本原理是什么呢？我们都知道，平行电磁波遇到抛物面反射后会汇聚到焦点的位置。对射电望远镜来说，把反射面做成抛物面的形状，然后在焦点位置放置一台接收机，就可以汇集天体发出的电磁波信号，从而进行天文观测。抛物面的面积越大，汇集的信号就越多，也就越能探测到更暗弱、更遥远的天体。所以，自卡尔·央斯基意外发现射电天文观测窗口之后，各国天文学家就一直致力于建造反射面尽可能大的巨型射电望远镜。
与此同时，伴随人类对无线电的大规模使用，产生了越来越多的无线电波，干扰了人类对太空信号的接收。在1993年国际无线电大会上，包括中国在内的多个国家提出倡议，希望在地球电磁波环境被破坏之前，建造出超大口径的射电望远镜。次年，以南仁东先生为代表的中国科学家开始“中国天眼”的探索，开启了“把不可能变成可能”的征途。
难度大、突破多，“中国天眼”在灵敏度上占据制高点
到底能建口径多大的望远镜，取决于最终找到多大的洼地。适宜的洼地非常难找，因为它要同时符合四大条件。首先要足够大、足够圆，否则只是开挖和支护成本就会让这个项目无法实现；其次，要远离人口密集区域，这样才能保证优良的电波环境；再次，不能积水，不然设备寿命难以保证；最后，还要有优良的地质条件，否则无法建成大型、高精度的天文观测设备。
从1994年到2006年，南仁东带领团队，从8000多幅地图中选出300多个洼坑，再进一步将范围缩小至几十个。团队几乎走遍这些洼地，现场踏勘，风餐露宿。最终，将台址定在贵州平塘县克度镇的大窝凼洼地。
台址确定后，如何设计、如何实现、建成之后如何调试和使用，都没有现成经验可以借鉴：关键技术无先例可循、关键材料需从头研制。
“中国天眼”设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜，这首先体现在“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”指反射面；“瞳孔”指馈源舱，即放置接收宇宙外信号装置系统的舱体。
作为世界首创，“中国天眼”的“视网膜”是主动反射面，可以改变形状，一会儿是球面，一会儿是抛物面。具体来说，这张庞大的可动的“视网膜”是一张由6670根钢索编制的索网，挂在一个由50根巨大钢柱支撑的直径500米的圈梁上；索网上铺有4450块、380多种反射面单元；索网下方是2225根下拉索，每一根下拉索都被固定在地面上的作动器上，通过操纵作动器，拉动下拉索来改变索网形状，从而对天文信号进行收集和观测。
“中国天眼”的“瞳孔”即馈源舱，也是一个大胆的突破性设计。大多数传统射电望远镜的“瞳孔”位置是固定的，或仅可以微调。“中国天眼”则完全不同，采用的是全新的轻型索驱动控制系统，这让“中国天眼”的“瞳孔”可以自如改变角度和位置，更有效地收集、跟踪、监测更丰富的宇宙电磁波。
从体量来说，原世界第一大射电望远镜的馈源舱重1000多吨，“中国天眼”馈源舱重仅约30吨。体积小带来多方面的优势，比如可有效减少光路遮挡、减少干扰信号，从而让波束非常干净，更有利于天文观测。
“中国天眼”在设计上的突破创新，为“从图纸到现实”的制造带来巨大挑战。而应对挑战的过程，也正是国产精准制造不断创造奇迹的过程。比如，要实现反射面(即索网)可改变形状这个世界首创设计，要求构成索网的钢索像弹簧一样有一定伸缩性，疲劳强度是现有标准的两倍多，国际上未有先例；还要求每根钢索的加工精度要达到1毫米，把传统标准提升了一个数量级。
两年来，科学家们持续全方位地改进索体工艺，一根钢索要进行200万次疲劳实验。经历了近百次的失败后，最终成功解决了这个关键问题，实现了3项世界创举：超大跨度、超高精度、主动变位式的索网结构。
建设完成之后，“中国天眼”进入调试阶段。巨型望远镜调试涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科，是强交叉学科的应用性研究，国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。“中国天眼”开创了新模式，其调试工作也更具挑战性。
截至目前，已经实现跟踪、漂移、运动扫描、编织扫描等，提前完成功能性调试。在性能调试方面，“中国天眼”直径500米，却要实现毫米级的精度，难度相当大。当前，望远镜测量基准网的精度已提升至1毫米以内，其中，灵敏度水平是世界第二大望远镜的2.5倍，这是中国建造的望远镜第一次在灵敏度这个参数上占据制高点。另外，19波束已经完成安装，其意义也非常重大：可将望远镜视场扩大至原来的19倍，大幅提升望远镜的巡天效率。
“中国天眼”专利技术被运用于多个领域，持续孵化科学新成果
“中国天眼”团队敢想敢做，难度大、挑战大，其设计、建造的过程既是攻坚克难的过程，也是创新性成果相继产生的过程。许多具有我国自主知识产权的专利技术相继诞生并得到应用。比如，超高疲劳性能钢索结构被应用于大型体育场馆，高精度索结构生产体系被应用于港珠澳大桥等建设。
在整个制造、安装过程中还产生了许多国家级、省级工法。比如，在为“中国天眼”铺设“视网膜”过程中，4450块反射单元、6670根钢索、上万个关节轴承，都是工人们在几十米高空一块块、一根根、一个个拼装完成的，容错率为零。这些复杂工法将有助于未来大型复杂项目的精准建造。
可以说，“中国天眼”是一个现代工程奇迹，它凝结了20多个科研机构、上百名科研人员的心血，汇聚了几千名一线工人的汗水。建造条件艰苦，很多人在现场工作几天，身上就会起满红疙瘩。潮湿、阴冷的工棚没有空调或暖气，每个人的被子潮湿得快要挤出水来。常有人说，只有中国才能做成“天眼”，我想，做成“天眼”所依靠的，就是这种永不言弃、众志成城的精神。
2017年10月，“中国天眼”首批科学成果公诸于世。如今，基于“中国天眼”数据发表的高水平论文已有70余篇；所发现的脉冲星数量已超过300颗，是同一时期国际上所有其它望远镜发现数量总和的3倍。为什么发现脉冲星至关重要？脉冲星是正在快速旋转的中子星，密度极高，每立方厘米重达上亿吨。它自身如灯塔一般散射光芒，时时刻刻地扫描着宇宙；它自转速度很快、自转周期精确，堪称宇宙中最精确的时钟。因此，把握脉冲星，有利于建立“宇宙导航系统”，有助于人类在未来实现星际旅行的梦想。
接下来，“中国天眼”将进一步在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿方向加大探索，加强国内外开放共享，推动重大成果产出，勇攀世界科技高峰。我们青年一代科学家也将努力“用”好凝结了中国4代科学家心血的“天眼”，产生更多科研成果，推动人类对宇宙的探索和认知。
(作者为FAST总工程师)
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