世界最大單口徑射電望遠鏡仿真模型

中國西南貴州，在形成于4500萬年前的巨型天坑中，科學家與工程師們正在建造面積相當于30個足球場的世界最大單口徑射電望遠鏡。它像一只龐大而靈敏的“耳朵”，將捕捉來自遙遠星塵最細微的“聲音”，洞察隱藏在宇宙深處的秘密。

這項建在貧困邊遠山區(qū)的中國有史以來最大天文工程，總投資達12億元，于3月動工，預計9月竣工�？茖W家將用這只“大耳朵”發(fā)現(xiàn)宇宙中神秘怪異的天體，并滿足人類最本質(zhì)的好奇心：宇宙怎么誕生?為什么會有星星?為什么會有我們?我們在宇宙中是孤獨的嗎?

中國科學院國家天文臺射電部首席科學家李?說：“建成后，這座射電望遠鏡在未來20至30年將保持世界一流地位。”

一、快!望遠鏡

“大耳朵”正式的名字是：500米口徑球面射電望遠鏡�？茖W家將它的英文名Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope縮寫為FAST。盡管被稱作“快”，建設這樣巨大的望遠鏡卻絕對無法快速實現(xiàn)。從1993年最初提出這個計劃到現(xiàn)在已過去了20多年，其間經(jīng)歷了反復研究論證。

千百年來人類只是通過可見光波段觀測宇宙，實際天體的輻射覆蓋了整個電磁波段。射電望遠鏡是在無線電波段觀測天體。由于無線電波可穿透宇宙中大量存在而光波又無法通過的星際塵埃介質(zhì)，因而射電望遠鏡可以觀測更遙遠的未知宇宙。射電望遠鏡幾乎可以全天候、不間斷地工作。

來自太空天體的無線電信號極其微弱，自70多年前射電天文學誕生以來，所有射電望遠鏡收集的能量還翻不動一頁書。閱讀宇宙邊緣的信息需要大口徑望遠鏡。

為了加快對宇宙探索的進程，提高中國的深空探測能力，積極參與國際競爭，中國天文界于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鏡。

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

工人們近日開始為望遠鏡鋪設反射面。FAST與一般的光學望遠鏡長得很不一樣，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。這樣精巧的設計可以讓反射面不斷變形，追蹤移動的天體，形成拋物面匯聚電磁波，就像一口大鍋中又套著個可以移動的大碗。

“讓如此巨大的望遠鏡改變形狀，最大的困難是必須快速測量和控制上千臺電機。我們通過激光測量精確定位，精度要達到毫米級。”李?說。

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

“它非常壯觀，給人宏大、震撼之感。”國家天文臺宇宙暗物質(zhì)與暗能量研究團組首席科學家陳學雷最近參觀了FAST施工現(xiàn)場后感嘆道：“國家投資建設了這么大的望遠鏡，作為科學家，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鏡都更大、更靈敏，肯定會取得一些國外沒有的發(fā)現(xiàn)。”

實際上，脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子等重要天文發(fā)現(xiàn)都與射電望遠鏡有關(guān)。諾貝爾獎歷史上明確基于天文觀測的10項獲獎成果中有6項都出自射電望遠鏡，射電天文學已成為諾貝爾獎的搖籃。

目前，約20個國家正在聯(lián)合建設世界上最強大的射電望遠鏡陣列——平方公里陣SKA。FAST將比SKA早建成10至20年。李?說：“我們一定要充分利用這個時間優(yōu)勢，盡快取得創(chuàng)新性成果，盡快挖掘獲得諾貝爾獎級發(fā)現(xiàn)的潛力。如果能探測到引力波或揭示物質(zhì)新形態(tài)，這些會是諾貝爾獎級的發(fā)現(xiàn)。”

他表示：“我們的望遠鏡是開放的，未來歡迎國內(nèi)外的科學家來使用。”

二、托“外星人”的福

20年前，為FAST尋找臺址的朱博勤在崎嶇的山路上跋涉了兩個多小時，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，山上綠樹蔥郁，山谷內(nèi)灰瓦木屋點綴在農(nóng)田之間，雞犬之聲不絕于耳。這里有個好聽的名字：綠水村。12戶人家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，有時也抬頭望望散布穹頂?shù)男浅健?/p>

貴州地處亞熱帶濕潤季風性氣候區(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家認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。

專家們先根據(jù)衛(wèi)星遙感影像，對400多個備選洼地的形態(tài)特征、水文、地質(zhì)、氣象及電波環(huán)境等諸多方面做了評估，并通過計算機模擬了工程填挖量，從中選出30多個實地考察。

在地無三尺平的貴州，稍微平坦一點的地方，就有農(nóng)民種地。很多類似“大窩凼”的洼地中都有居民。

臺址系統(tǒng)總工程師朱博勤回憶說，有外國專家參與了考察。附近的老百姓聽說后趕了半天路來圍觀，漫山遍野站滿了人。“他們渴望了解外面的世界，就像我們渴望了解宇宙。”

科學家說要在這建一座射電望遠鏡，村民們不懂。當科學家說可以用射電望遠鏡找外星人，大家就明白了，并且特別高興，因為全世界都會知道他們的家。

最后，專家選定“大窩凼”，因為它不大不小，深度合適，形狀很圓，適于施工建設。

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

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

為了人類最大的望遠鏡，“大窩凼”的居民搬遷到鎮(zhèn)里居住，他們在“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：“不知道哪輩子修來的福，靠外星人讓他們搬離了這個地方。”

三、天籟之音

FAST建成后，用這只“大耳朵”聽什么，科學家們還在不斷討論中。

李?說，它投入使用后，可觀測的天體數(shù)目將大幅度增加，將搜尋到更多的奇異天體，可為科學家提供更多更好的觀測統(tǒng)計樣本，更可靠地檢驗現(xiàn)代物理學、天文學的理論和模型。“FAST擬回答的科學問題不僅是天文的，也是面對人類與自然的。它潛在的科學產(chǎn)出也許我們今天還難以預測。”

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

陳學雷解釋說，中性氫在宇宙中到處都是，中性氫可以產(chǎn)生波長為21厘米的譜線。宇宙的百科全書是用微弱的21厘米氫譜線寫成的。“我們通過對中性氫的觀測就能知道物質(zhì)在宇宙中是怎樣分布的，進而可以測量出宇宙如何膨脹，并推算暗能量的性質(zhì)。”

奇異的脈沖星強烈地吸引著科學家們。李?說：“目前人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)2000多顆脈沖星，我們期待找到新種類的脈沖星。在銀河系的近鄰仙女座M31中，科學家預測那里應有脈沖星，但是還沒找到。目前所有望遠鏡中，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。”

陳學雷說：“脈沖星有很多怪異的現(xiàn)象和性質(zhì)，我們還無法理解�？茖W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驗室，很多最極端的現(xiàn)象就發(fā)生在那里�？茖W家可以將脈沖星作為工具研究萬有引力。如果將來發(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圍的時空。”陳學雷說。

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

“另一個重要目標是利用脈沖星探測引力波。引力波是愛因斯坦廣義相對論一個非常重要的預言，但科學家還沒有檢測到。引力波會使脈沖到達時間發(fā)生變化。如果我們能觀測到全天的脈沖星或者某一方向上的多個脈沖星周期發(fā)生變化，就能探測到引力波。”陳學雷說。

科學家還準備用FAST搜尋識別可能的星際通訊信號，開展對地外文明的搜索。

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

他說，目前科學家已經(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將為中國深空探測提供一個高靈敏度、高分辨率的地面跟蹤與遙控設備，它將使中國深空測控能力延伸至太陽系外緣，將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高數(shù)十倍，同時填補美國、西班牙和澳大利亞三個深層空間跟蹤站在經(jīng)度分布上的空白。

李?說：“對于人類來說，探索未知世界、滿足好奇心，是與吃飯睡覺同等重要的本質(zhì)權(quán)利。以前中國科學家在貧窮的條件下依然可以在數(shù)學、計算機、粒子物理等領域從事世界一流的科學研究�，F(xiàn)在國家支持我們建設FAST這樣的大型望遠鏡，我們將代表人類訴求不斷探索未知世界。”

“探索未知世界會激發(fā)人類的創(chuàng)造力，去做人類以前做不到的事情，找到原來根本想象不到的解決問題的辦法，這其中會產(chǎn)生巨大價值。”

本文來自：逍遙右腦記憶 http://m.yy-art.cn/chuzhong/916480.html

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