“天眼”当惊世界殊

　　9月25日，国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县落成启用。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在贺信中说：“它的落成启用，对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。”记者第一时间深入现场，零距离揭开这项世界级工程的神秘面纱——

　　“欲穷千里目，更上一层楼。”这是出自唐代王之涣《登鹳雀楼》中的诗句。随着“中国天眼”正式落成启用，“千里目”一词被赋予了新的时代意蕴。

　　清晨时分，从贵州省惠水县驱车向南，沿银百高速转县道再穿过一段狭窄山口，“长”在平塘县克度镇金科村大窝凼“坑”里的“中国天眼”——世界上最大的500米口径球面射电望远镜（英文简称：FAST）便赫然出现在眼前。

　　大窝凼里筑“天眼”

　　天坑，这种鬼斧神工的自然奇观，在黔南比比皆是。“尽管‘长’在天坑里的‘中国天眼’‘身段’很低，它扎根在一片喀斯特洼地中，但‘目光’很远，射向百亿光年外的宇宙太空。”中国科学院国家天文台FAST工程办公室主任张蜀新告诉记者，“FAST工程项目2007年正式立项，2011年开工建设，承载着中国射电天文领跑世界的光荣与梦想。”

　　踏着蜿蜒的栈道登上FAST观景台，旋转式上升的悬空挑台与500米口径球面射电望远镜相呼应。放眼望去，大窝凼里FAST的壮观景象尽收眼底——总面积达25万平方米的反射面看起来像一口超级“大锅”，网格爬满了“锅”底，向上延伸“咬住”环梁，反射面面板一圈一圈铺满索网的空隙，构成一只仰望苍穹的“巨眼”。

　　来到FAST工程现场，记者用脚步去丈量FAST的“眼界”——“锅盖”上总长度约1.6公里的圈梁有如一道环形大桥，将上万根钢索牢牢固定住，而形似宇宙飞船的馈源舱则由6根拉索连接6个馈源支撑塔悬吊于反射面面板之上。走在足够两人并排同行的钢桥上，脚下是鸡蛋粗细橡胶表面的索绳，一种强烈的震撼感和自豪感油然而生。

　　“‘中国天眼’为何会选址大窝凼？”记者将这个脑海里突然冒出的问题抛给了FAST工程台址与观测基地系统总工程师朱博勤，从1994年FAST的选址开始，他见证了“中国天眼”建设的全部过程。

　　“新一代大射电望远镜的工程名称经历了LT、KARST、FAST/SKA、FAST几个阶段，每个阶段都有不同的台址要求，在技术要求和对台址的要求也愈发清晰的同时，对洼地的尺度和形态要求也更具体了。”朱博勤说，在对24个洼地的地形高程数字化、地形典型剖面分析和开挖土方量拟合等具体工作的基础上，对大窝凼、打多、尚家冲还开发了FAST工程土方量开挖拟合地理信息系统，在确定球半径、开口半径、球冠底部高程、球中心的平面坐标后即可计算需开挖的土方量。最终的结论，大窝凼是建设500米口径球面射电望远镜最好的场址。

　　“变形大锅”随天动

　　古罗马的西塞罗曾有句名言：“如果一个人能对着天上的事物沉思，那么在他面对人间时就会更加高尚。”今天，“中国天眼”的落成启用，见证了中国科技人员默默奋斗，化笃实守正之志为仰望苍穹之功。

　　让我们把目光再次聚焦到这500米口径的“锅”，的确是口名副其实的“变形大锅”。“我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比，主动反射面系统是我们的创新之一。”国家天文台FAST工程总工艺师王启明说，FAST工程的索网结构可以随着天体的移动变化，带动索网上的4450个反射单元，在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面，从而极大地提升了观测效率。而主动反射面让“中国天眼”拥有更广的观测范围，能覆盖40度的天顶角。

　　记者注意到，每块反射面面板上都有像筛子一样的密孔。据国家天文台工程师翟学兵介绍，这样的创新设计，一是为了减少风负载，二是提高透光率，让天线面下能长草，避免水土流失。

　　在反射面面板上面，还有不少黑色的物体。已在FAST工程工作7年的国家天文台副研究员钱磊说，这些类似液压泵状的物体叫促动器，促动器最大可以伸缩1米。也就是说，根据观测需要，促动器可以将“大锅”左右前后移动。

　　其实，“中国天眼”的建造工艺也是精益求精，由此也推动了多领域装备制造能力的提升：

　　——主动反射面的索网具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征，其500兆帕的超高应力幅，是国家标准的2.5倍；

　　——帮助反射面变位的2000多个液压促动器通过伸缩实现精确定位、协同运动，还可将自身各项状态信息上报给控制系统，满足适时跟踪、换源等运动要求；

　　——提出大射电望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计，将馈源支撑结构系统自重降至30吨，既降低造价，又提高稳定性……

　　来到“大锅”底部。只见在大“锅盖”的中间，有一个12边形的物体，被6根大跨度柔索牵引悬在高空中。

　　“它的名字叫馈源舱，里面装置有馈源，也叫做超宽带接收机，是FAST接收和回传信号的最核心部件，整个射电望远镜的反射面所接收到的全部宇宙信号，都靠它来收集。”FAST工程测控系统总工程师朱丽春说。

　　其实，FAST也并非“百毒不侵”。它的观测原理是通过反射面来接收宇宙中由天体物质的能量所发射出来的电磁波，从而进行分析。FAST的灵敏度非常高，极易受到电磁干扰，因此，需要保护台址周边宁静的电波环境。所以，FAST项目正式落成启用后，其方圆5公里将被划为“静默区”。这意味着，可以发射无线电信号的电子设备都将被禁止使用，工作人员要与外界联系，只能使用座机。

　　朱博勤说，在观景台游客集散中心和观景台上，均设有电话亭，游客们可以在固定电话上进行通话。

　　多少奥妙等待“天眼”解答

　　其实，不管是科学领域里的研究实践，还是科幻小说中的异想天开，在探索未知宇宙的道路上，人类一刻也没有停下前行的脚步。

　　打开宇宙奥秘的工具便是望远镜。从最原始的目视观测到现在巨大的光学天文望远镜和射电天线阵，经历了上千年的演进变迁。“如果有人在月球上打手机，我们也是可以听到的。”张蜀新形象地比喻FAST的灵敏度。从理论上来看，FAST能接收到137亿光年以外的电磁信号，这个距离接近于宇宙的边缘。

　　“跟其他射电望远镜一样，‘中国天眼’最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星。前者是研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化，后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”国家天文台副台长、FAST工程常务副经理郑晓年说。

　　“针对老百姓普遍关心的‘中国天眼’能否用于寻找地外文明，答案是肯定的。”王启明表示，它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高，它能看到更远、更暗弱的天体，通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号，寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。

　　“继今年7月3日馈源舱升舱和反射面板按计划完成安装后，FAST工程已经进行了2个多月的系统调试，并于9月25日正式落成使用。但要实现所有功能参数最优化，它还要在将来3到5年的试观测中不断调试完善。”谈到FAST的发展前景时，张蜀新这样告诉记者。

　　“‘中国天眼’将成为中国天文学研究的‘利器’。”郑晓年信心满满地说。

　　三问“中国天眼”

　　被誉为“中国天眼”的射电望远镜在设计建造上有何创新？在倾听宇宙深处声音、探索宇宙奥秘方面将发挥什么作用？请看中国电子科技集团（望远镜核心部件研制建造方）的专家为你解读。

　　一问：射电望远镜是不是口径越大越好？

　　“500米口径球面射电望远镜，可不是肉眼观测的普通望远镜，是世界最顶尖级的太空望远镜。”中国电科研究员级高级工程师王枫介绍，面板和馈源是决定FAST探测威力和探测精度的核心要素。

　　射电望远镜，跟接收卫星信号的天线锅类似，通过锅的反射聚焦，把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。“用过‘锅盖天线’的人知道，锅盖口径越大，电视画面也越清晰。对于射电望远镜来说，口径越大看得越远。全世界的射电天文学家都追求建造更大口径的‘锅盖’，以提高射电望远镜灵敏度。” 王枫说，简而言之，就是“锅”越大，“阅读”到宇宙深处的信息就越多。

　　其实，建造500米口径球面射电望远镜在国际上没有先例，很多技术需要依靠自主创新。比如，望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计，将馈源支撑结构系统自重降至30吨，既降低了造价，又提高了稳定性。中国电科面板单元技术负责人郑元鹏告诉记者，4450个反射面每一个都可以进行对焦，灵敏度可达美国阿雷西博射电望远镜的2倍，巡天速度是它的10倍。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，灵敏度提高约10倍。FAST将成为世界最大单口径射电天文望远镜。

　　二问：射电望远镜在设计建造上有何创新？

　　FAST有多大？反射面总面积25万平方米，相当于30个标准足球场那么大；FAST有多重？仅圈梁、索网和6座支撑馈源舱的高塔就用掉10000多吨钢材，反射面面板用掉2000多吨铝合金；FAST有多巧？2000多个液压促动器通过伸缩，实现反射面精确变位。

　　“FAST的设计目标，是能够把近30个足球场这么大的接收面积里收集的信号，聚集在药片大小的空间里。”郑元鹏说，不如此，就无法监听到宇宙中微弱的射电信号，“药片”就是馈源，因此500米口径的结构要实现毫米级精度。

　　FAST的设计建造，体现了中国人领先于世界的工程及设计能力。FAST的索网结构可以随着天体的移动自动变化，带动索网上活动的4450个反射面面板产生变化，足以观测到任意方向的天体，同时，馈源舱也随索网一同运动，采集反馈信息。

　　柔性铆接工装也是创新的典型代表。郑元鹏说，面板子单元每天的生产涉及铆接工装为140种，如果按照原始数据进行工装设计，一方面增加了成本，另一方面会降低生产效率。生产中我们根据最大包容原则设计了通用工装，经过柔性调整可适用于所有类型的面板铆接。

　　三问：在探索宇宙奥秘方面将发挥什么作用？

　　“如果把FAST看作一个‘天眼’，那馈源舱就相当于这个‘眼睛’的‘瞳孔’，它起到聚焦的作用，让我们能看得更清楚。”中国电科馈源舱单元技术负责人李建军介绍， FAST绝不是金属堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文仪器。由于采用光机电一体化的馈源平台，加之馈源舱内的并联机器人二次调整，它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下，可实现毫米级指向跟踪，确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。

　　半个多世纪以来，全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸，而FAST的加盟将大大加快这一速度。而收集的能量，意味着解读宇宙深处奥秘的信息量。

　　中国电科总经理樊友山说，FAST研究涉及众多高科技领域，如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理等。未来，FAST关键技术成果还可应用于诸多相关领域，如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。