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世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡仿真模型

中國(guó)西南貴州，在形成于4500萬(wàn)年前的巨型天坑中，科學(xué)家與工程師們正在建造面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)的世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。它像一只龐大而靈敏的“耳朵”，將捕捉來(lái)自遙遠(yuǎn)星塵最細(xì)微的“聲音”，洞察隱藏在宇宙深處的秘密。

這項(xiàng)建在貧困邊遠(yuǎn)山區(qū)的中國(guó)有史以來(lái)最大天文工程，總投資達(dá)12億元，于3月動(dòng)工，預(yù)計(jì)9月竣工�？茖W(xué)家將用這只“大耳朵”發(fā)現(xiàn)宇宙中神秘怪異的天體，并滿(mǎn)足人類(lèi)最本質(zhì)的好奇心：宇宙怎么誕生?為什么會(huì)有星星?為什么會(huì)有我們?我們?cè)谟钪嬷惺枪陋?dú)的嗎?

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)射電部首席科學(xué)家李?說(shuō)：“建成后，這座射電望遠(yuǎn)鏡在未來(lái)20至30年將保持世界一流地位。”

一、快!望遠(yuǎn)鏡

“大耳朵”正式的名字是：500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡�？茖W(xué)家將它的英文名Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope縮寫(xiě)為FAST。盡管被稱(chēng)作“快”，建設(shè)這樣巨大的望遠(yuǎn)鏡卻絕對(duì)無(wú)法快速實(shí)現(xiàn)。從1993年最初提出這個(gè)計(jì)劃到現(xiàn)在已過(guò)去了20多年，其間經(jīng)歷了反復(fù)研究論證。

千百年來(lái)人類(lèi)只是通過(guò)可見(jiàn)光波段觀測(cè)宇宙，實(shí)際天體的輻射覆蓋了整個(gè)電磁波段。射電望遠(yuǎn)鏡是在無(wú)線(xiàn)電波段觀測(cè)天體。由于無(wú)線(xiàn)電波可穿透宇宙中大量存在而光波又無(wú)法通過(guò)的星際塵埃介質(zhì)，因而射電望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)更遙遠(yuǎn)的未知宇宙。射電望遠(yuǎn)鏡幾乎可以全天候、不間斷地工作。

來(lái)自太空天體的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)極其微弱，自70多年前射電天文學(xué)誕生以來(lái)，所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量還翻不動(dòng)一頁(yè)書(shū)。閱讀宇宙邊緣的信息需要大口徑望遠(yuǎn)鏡。

為了加快對(duì)宇宙探索的進(jìn)程，提高中國(guó)的深空探測(cè)能力，積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)天文界于1993年提出利用貴州喀斯特洼地建造世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

如今，在貴州黔南州平塘縣名叫“大窩凼”的洼地中，望遠(yuǎn)鏡的白色鋼架已填滿(mǎn)整個(gè)山谷。繞著圈梁走一圈大約需要30分鐘。

工人們近日開(kāi)始為望遠(yuǎn)鏡鋪設(shè)反射面。FAST與一般的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)得很不一樣，鏡面由4000多塊小反射面組成。每一塊反射面的背后都有鋼索牽拉，用于調(diào)整方向。這樣精巧的設(shè)計(jì)可以讓反射面不斷變形，追蹤移動(dòng)的天體，形成拋物面匯聚電磁波，就像一口大鍋中又套著個(gè)可以移動(dòng)的大碗。

“讓如此巨大的望遠(yuǎn)鏡改變形狀，最大的困難是必須快速測(cè)量和控制上千臺(tái)電機(jī)。我們通過(guò)激光測(cè)量精確定位，精度要達(dá)到毫米級(jí)。”李?說(shuō)。

FAST工程辦公室副主任張海燕介紹，與號(hào)稱(chēng)“地面最大的機(jī)器”的德國(guó)波恩100米望遠(yuǎn)鏡相比，F(xiàn)AST靈敏度將提高約10倍;與被評(píng)為人類(lèi)20世紀(jì)10大工程之首的美國(guó)Arecibo300米望遠(yuǎn)鏡相比，其綜合性能提高約10倍。

“它非常壯觀，給人宏大、震撼之感。”國(guó)家天文臺(tái)宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團(tuán)組首席科學(xué)家陳學(xué)雷最近參觀了FAST施工現(xiàn)場(chǎng)后感嘆道：“國(guó)家投資建設(shè)了這么大的望遠(yuǎn)鏡，作為科學(xué)家，我們一定要用好它，做出新的發(fā)現(xiàn)。FAST比目前世界上所有的射電望遠(yuǎn)鏡都更大、更靈敏，肯定會(huì)取得一些國(guó)外沒(méi)有的發(fā)現(xiàn)。”

實(shí)際上，脈沖星、類(lèi)星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子等重要天文發(fā)現(xiàn)都與射電望遠(yuǎn)鏡有關(guān)。諾貝爾獎(jiǎng)歷史上明確基于天文觀測(cè)的10項(xiàng)獲獎(jiǎng)成果中有6項(xiàng)都出自射電望遠(yuǎn)鏡，射電天文學(xué)已成為諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃。

目前，約20個(gè)國(guó)家正在聯(lián)合建設(shè)世界上最強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡陣列——平方公里陣SKA。FAST將比SKA早建成10至20年。李?說(shuō)：“我們一定要充分利用這個(gè)時(shí)間優(yōu)勢(shì)，盡快取得創(chuàng)新性成果，盡快挖掘獲得諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)發(fā)現(xiàn)的潛力。如果能探測(cè)到引力波或揭示物質(zhì)新形態(tài)，這些會(huì)是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)的發(fā)現(xiàn)。”

他表示：“我們的望遠(yuǎn)鏡是開(kāi)放的，未來(lái)歡迎國(guó)內(nèi)外的科學(xué)家來(lái)使用。”

二、托“外星人”的福

20年前，為FAST尋找臺(tái)址的朱博勤在崎嶇的山路上跋涉了兩個(gè)多小時(shí)，爬上“大窩凼”的埡口，映入眼簾的是：青山環(huán)抱著一片圓圓的洼地，山上綠樹(shù)蔥郁，山谷內(nèi)灰瓦木屋點(diǎn)綴在農(nóng)田之間，雞犬之聲不絕于耳。這里有個(gè)好聽(tīng)的名字：綠水村。12戶(hù)人家65口人居住在連電都不通的封閉小世界里，在寂靜晴朗的夜晚，有時(shí)也抬頭望望散布穹頂?shù)男浅健?/p>

貴州地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候區(qū)，由于這里沉積了厚厚的碳酸鹽巖，加之地質(zhì)、氣候、水文等因素的影響，喀斯特地貌得到良好的發(fā)育，占全省總面積約70%，特別是在貴州南部，發(fā)育了大量喀斯特峰叢洼地�？茖W(xué)家認(rèn)為這種天然的洼地正適合建造形如大鍋的FAST，可以大大減少工程成本。

專(zhuān)家們先根據(jù)衛(wèi)星遙感影像，對(duì)400多個(gè)備選洼地的形態(tài)特征、水文、地質(zhì)、氣象及電波環(huán)境等諸多方面做了評(píng)估，并通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬了工程填挖量，從中選出30多個(gè)實(shí)地考察。

在地?zé)o三尺平的貴州，稍微平坦一點(diǎn)的地方，就有農(nóng)民種地。很多類(lèi)似“大窩凼”的洼地中都有居民。

臺(tái)址系統(tǒng)總工程師朱博勤回憶說(shuō)，有外國(guó)專(zhuān)家參與了考察。附近的老百姓聽(tīng)說(shuō)后趕了半天路來(lái)圍觀，漫山遍野站滿(mǎn)了人。“他們渴望了解外面的世界，就像我們渴望了解宇宙。”

科學(xué)家說(shuō)要在這建一座射電望遠(yuǎn)鏡，村民們不懂。當(dāng)科學(xué)家說(shuō)可以用射電望遠(yuǎn)鏡找外星人，大家就明白了，并且特別高興，因?yàn)槿�世界都�?huì)知道他們的家。

最后，專(zhuān)家選定“大窩凼”，因?yàn)樗�不大不小，深度合適，形狀很圓，適于施工建設(shè)。

朱博勤說(shuō)，“大窩凼”巖石有足夠的承載強(qiáng)度，這里的喀斯特地質(zhì)條件可以保障雨水向地下泄流，避免損壞望遠(yuǎn)鏡。

此外，在“大窩凼”附近5公里半徑內(nèi)沒(méi)有一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25公里半徑內(nèi)只有一個(gè)縣城，無(wú)線(xiàn)電干擾較少，無(wú)重大自然災(zāi)害記錄。貴州有一批電子工業(yè)企業(yè)，具有制造大型無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)生產(chǎn)能力，擁有大型鋁業(yè)基地，運(yùn)輸方便，水電豐富。這些為FAST建造提供了優(yōu)越的工程環(huán)境。

為了人類(lèi)最大的望遠(yuǎn)鏡，“大窩凼”的居民搬遷到鎮(zhèn)里居住，他們?cè)?ldquo;新世界”的生活條件大大改善。其他洼地中的村民們羨慕不已地說(shuō)：“不知道哪輩子修來(lái)的福，靠外星人讓他們搬離了這個(gè)地方。”

三、天籟之音

FAST建成后，用這只“大耳朵”聽(tīng)什么，科學(xué)家們還在不斷討論中。

李?說(shuō)，它投入使用后，可觀測(cè)的天體數(shù)目將大幅度增加，將搜尋到更多的奇異天體，可為科學(xué)家提供更多更好的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)樣本，更可靠地檢驗(yàn)現(xiàn)代物理學(xué)、天文學(xué)的理論和模型。“FAST擬回答的科學(xué)問(wèn)題不僅是天文的，也是面對(duì)人類(lèi)與自然的。它潛在的科學(xué)產(chǎn)出也許我們今天還難以預(yù)測(cè)。”

主要研究暗物質(zhì)與暗能量的科學(xué)家陳學(xué)雷說(shuō)：“我對(duì)FAST非常期待。我們希望通過(guò)觀測(cè)中性氫的分布來(lái)研究宇宙膨脹速度。”

陳學(xué)雷解釋說(shuō)，中性氫在宇宙中到處都是，中性氫可以產(chǎn)生波長(zhǎng)為21厘米的譜線(xiàn)。宇宙的百科全書(shū)是用微弱的21厘米氫譜線(xiàn)寫(xiě)成的。“我們通過(guò)對(duì)中性氫的觀測(cè)就能知道物質(zhì)在宇宙中是怎樣分布的，進(jìn)而可以測(cè)量出宇宙如何膨脹，并推算暗能量的性質(zhì)。”

奇異的脈沖星強(qiáng)烈地吸引著科學(xué)家們。李?說(shuō)：“目前人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)2000多顆脈沖星，我們期待找到新種類(lèi)的脈沖星。在銀河系的近鄰仙女座M31中，科學(xué)家預(yù)測(cè)那里應(yīng)有脈沖星，但是還沒(méi)找到。目前所有望遠(yuǎn)鏡中，幾乎只有FAST才有足夠的靈敏度在仙女座中找到脈沖星。我們期望能在那里找到50至80顆脈沖星。”

陳學(xué)雷說(shuō)：“脈沖星有很多怪異的現(xiàn)象和性質(zhì)，我們還無(wú)法理解�？茖W(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些轉(zhuǎn)得特別快的脈沖星，叫毫秒脈沖星，大約每幾毫秒轉(zhuǎn)一圈。它為什么轉(zhuǎn)那么快，還需要研究。”

“脈沖星就像天體物理實(shí)驗(yàn)室，很多最極端的現(xiàn)象就發(fā)生在那里。科學(xué)家可以將脈沖星作為工具研究萬(wàn)有引力。如果將來(lái)發(fā)現(xiàn)脈沖星與黑洞組成的雙星系統(tǒng)，我們就可以利用脈沖星去研究黑洞周?chē)�的時(shí)空。”陳學(xué)雷說(shuō)。

由于脈沖星的穩(wěn)定性可以超過(guò)原子鐘，有科學(xué)家提出，可以用脈沖星為太空飛船導(dǎo)航。

“另一個(gè)重要目標(biāo)是利用脈沖星探測(cè)引力波。引力波是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論一個(gè)非常重要的預(yù)言，但科學(xué)家還沒(méi)有檢測(cè)到。引力波會(huì)使脈沖到達(dá)時(shí)間發(fā)生變化。如果我們能觀測(cè)到全天的脈沖星或者某一方向上的多個(gè)脈沖星周期發(fā)生變化，就能探測(cè)到引力波。”陳學(xué)雷說(shuō)。

科學(xué)家還準(zhǔn)備用FAST搜尋識(shí)別可能的星際通訊信號(hào)，開(kāi)展對(duì)地外文明的搜索。

李?說(shuō)：“找到地外智慧生命很難。我們的重點(diǎn)是尋找宇宙分子，也就是研究宇宙學(xué)尺度上的生命起源。幾乎可以肯定，再有兩三年，科學(xué)家就可以在太空中直接找到氨基酸。我估計(jì)找到地外生命也是非�？赡艿模瑹o(wú)論是太陽(yáng)系內(nèi)還是太陽(yáng)系外。”

他說(shuō)，目前科學(xué)家已經(jīng)在太空中發(fā)現(xiàn)大約180多種分子，如一氧化碳、氫分子、氨氣、甲醛，以及一些很奇特的分子：巧克力、各種酒精、指甲油分子等。

此外，F(xiàn)AST將為中國(guó)深空探測(cè)提供一個(gè)高靈敏度、高分辨率的地面跟蹤與遙控設(shè)備，它將使中國(guó)深空測(cè)控能力延伸至太陽(yáng)系外緣，將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高數(shù)十倍，同時(shí)填補(bǔ)美國(guó)、西班牙和澳大利亞三個(gè)深層空間跟蹤站在經(jīng)度分布上的空白。

李?說(shuō)：“對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)，探索未知世界、滿(mǎn)足好奇心，是與吃飯睡覺(jué)同等重要的本質(zhì)權(quán)利。以前中國(guó)科學(xué)家在貧窮的條件下依然可以在數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、粒子物理等領(lǐng)域從事世界一流的科學(xué)研究�，F(xiàn)在國(guó)家支持我們建設(shè)FAST這樣的大型望遠(yuǎn)鏡，我們將代表人類(lèi)訴求不斷探索未知世界。”

“探索未知世界會(huì)激發(fā)人類(lèi)的創(chuàng)造力，去做人類(lèi)以前做不到的事情，找到原來(lái)根本想象不到的解決問(wèn)題的辦法，這其中會(huì)產(chǎn)生巨大價(jià)值。”