專家揭秘貴州在建“觀天巨眼”

“警告你們：不要回答！不要回答！不要回答！你們的方向上有千萬顆恆星。如果回答，發射源將被定位，你們的行星系將遭到入侵，你們的世界將被佔領！不要回答！不要回答！不要回答！”這是科幻小《三體》中，女主人公所在的“紅岸基地”，偶然收到的一通來自外星文明的無線電波。

其實，接收宇宙無線電波的現實版“紅岸基地”，正在貴州省平塘縣克度鎮金科村“大窩”窪地建設。當前世界最大單口徑射電望遠鏡“天眼”(FAST)建設項目已進入衝刺階段。建成后，這架500米口徑的球面射電望遠鏡接收面積相當於30個足球場。

2015年12月26日，FAST總工程師助理兼反射面系統副總工姜鵬，在北京天文館2015年公科學講座上透露了“天眼”是如何搭建起來的，以及在建設中如何克服相關技術挑戰。據悉，與被評為人類20世紀10大工程之首的美國阿雷西博望遠鏡相比，“天眼”的綜合性能提高約10倍，整個工程預計於2016年9月竣工。

定位了300多個窪地

最終花落貴州“大窩”

很多人也許會感到奇怪：“天眼”為何選址地形複雜的貴州省？據姜鵬介紹，為了給“天眼”找到一個合適的“眼窩”，科學家們前前后后花了十多年的時間。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，旨在回溯原初宇宙，解答天文學中的多難題。

1995年底，射電“大望遠鏡”中國推進委員會提出利用貴州喀斯特窪地建造球反射面的“喀斯特工程”概念。經過反復篩選，最終在平塘縣克度鎮找到了“大窩”———最適合碩大“天眼”的深深的“眼窩”。到了2007年，項目正式立項並確定選址。2011年3月，FAST工程在貴州開工建設。

選址耗費如此長的周期，這是因為項目組一直在琢磨，怎樣才能把工程開挖量降到最低。通過衛星搜索，工程師們在全國定位了300多個窪地。通過層層篩選，人們發現，位於黔東南的“大窩”窪地形狀大而圓，與FA ST造型最接近。除此之外，這篇窪地附近一帶人煙稀少、寧靜的曠野環境還有利於減少電磁波對FA ST帶來的干擾。綜合這些因素，“眼窩”最終於2007年花落“大窩”。

在複雜地形中“鑄造”

一口500米口徑的“大鍋”

與一般的鍋式衛星天線工作原理類似，FA ST由反射信號的拋物面和接收信號的饋源兩大部分組成。利用拋物面(俗稱“鍋”)的反射聚焦，把信號聚攏到一個點上。這裏的拋物面，從形狀上來看就是一口巨大的“鍋”。只不過它所盛裝的，是“天外來客”們發出的信號。

這一次施工的地點位於崎嶇的山區，如何在複雜的地形中鑄造一口口徑500米的“大鍋”，確實讓專家們費足了腦筋。各路人馬獻計獻策，曾有人提議採用分離式技術，下面採用密密麻麻的剛性支架支撐。不過最終，“索網”方案得到採納。

按照“索網”方案，“天眼”工作的時候能夠跟隨天體轉動，跟蹤掃描射電源。科學家們首先通過控制6根鋼索，帶動饋源艙在距離地面140-180米、直徑為207米的球冠面上運動。接通過2225個促動器拉扯鋼索網，帶動網上的4450個反射面板來使“天眼”聚集。如此一來，天眼就如同人的眼睛一樣可以自由轉動。反射面板接收到射電電磁波信號后，會將宇宙信號匯聚到饋源艙。

拼接反射面面板

全靠工程隊伍空中作業

去年2月4日，FAST索網已完成製造和安裝。現在，如果你有機會到項目工程實地參觀，可以看到一張由6000多根鋼索編織而成的巨大“漁網”。但姜鵬卻，看壯觀的大網，編織起來可並非易事。

據了解，整個索網共計有2225個節點，索網安裝跨度極大。工程隊伍採用空中作業的方式，將每一個索網和反射面面板吊起，經過精確的位置測定后完成拼接，面型的控制偏差須在RMS 5mm以內。為保證精度，專家們特別打造了一間恆溫室生拉索。

更大的難題來自溫度變化給鋼柱帶來的形變，50℃的溫差就意味300毫米的變化。姜鵬介紹，為了適應山勢起伏，支撐反射面結構的鋼柱高低各不相同。為了防止變形不均勻，環梁與鋼柱的連接處加上滑移支座。這樣支撐環梁就可以在支撐柱上面自由的伸縮，更加均勻地變形了。

這好比是給變形留出了緩衝的余地，最大變形距離可達0 .47米。如此一來，打通了“視神經”的“天眼”就可以做到靈活自如地變換對焦。值得一提的是，受自重和風載引起形變所制，傳統全可動望遠鏡的最大口徑一般只有100米。採納索網結構的500米口徑“天眼”輕鬆突破百米極限，不僅開創了巨型射電望遠鏡建造的新模式，且投入使用后的靈敏度將為目前世界上最大的美國阿雷西博天文望遠鏡的3.25倍。

“天眼”建成后

將搜索地外理性生命

從醞釀至今，即將完工的“天眼”項目已經走過20多個年頭。在投入使用之后，它將會在哪些領域大顯身手？中科院國家天文台射電部首席科學家李菂在接受媒體採訪時表示，“天眼”的主秀場仍是天文領域，比如：探測宇宙中的遙遠信號和物質、開展從宇宙起源到星際物質結構的探討、對暗弱脈衝星及其他暗弱射電源的搜索、高效率開展對地外理性生命的搜索等。

FAST工程常務副經理、國家天文台副台長鄭曉年在接受媒體採訪時也，建成后的“天眼”將有能力巡視宇宙中的中性氫、探測星際分子、觀測脈衝星、搜尋星際通訊信號。借助隻敏的大眼睛，人類在尋找地外文明的路上又向前邁進了一步。

去年12月初，法國圖盧茲(Toulouse)國家科學研究中心(CNRS)以及天體物理學和行星學研究所的天體物理學家皮埃裏克·馬丁(Pierrick Martin)，使用N A SA的費米伽馬射線空間望遠鏡在銀河系之外、距離地球163000光年的其他星系中，發現了第一顆伽馬射線脈衝星，並創下已知最明亮伽馬射線脈衝星的新紀錄。

而探測河外脈衝星，本身就是FAST的立項目標之一。經中科院國家天文台測算，“天眼”的索網的變形次數大約為100多萬次，服役年限為30年。李菂對FAST未來的表現很有信心，“待建成后，FAST將在未來20年內保持世界一流地位。”

6座百米高的支撐塔

通過控制6根鋼索，帶動饋源艙在距離地面140—180米、直徑為207米的球冠面上運動

饋源艙重約30噸(包括星型框架、Stewart平台、艙罩等設備)

通過2225個促動器拉扯鋼索網，帶動網上的4450個反射面板來使“天眼”聚集