圖為9月24日拍攝的FAST項(xiàng)目主體工程。吳秉澤 攝

索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是FAST主動(dòng)反射面的主要支撐結(jié)構(gòu)，也是FAST工程的主要技術(shù)難點(diǎn)之一。記者 杜 芳攝

FAST總工藝師、主動(dòng)反射面系統(tǒng)總工王啟明現(xiàn)場(chǎng)介紹情況。記者 杜 芳 攝

FAST饋源艙設(shè)計(jì)輕巧靈活，能更精準(zhǔn)接收信號(hào)。記者 杜 芳攝

觀眾在參觀平塘天文科普文化園，F(xiàn)AST吸引了許多市民前來(lái)一探究竟。記者 吳秉澤 攝

FAST項(xiàng)目支出非常節(jié)省，圖為指揮部的房屋一側(cè)堆放著許多當(dāng)初的試驗(yàn)樣機(jī)。記者 杜 芳 攝

9月25日，貴州省黔南布依族自治州平塘縣的“大窩凼”洼地，F(xiàn)AST，即“500米口徑球冠狀主動(dòng)反射球面射電望遠(yuǎn)鏡”，在經(jīng)歷了22年從構(gòu)想、預(yù)研、開工建設(shè)到反復(fù)調(diào)試的過(guò)程后，終于落成啟用，邁向試運(yùn)行階段。從此，黔南大地“生長(zhǎng)”出的這只巨大“天眼”，將承載著人們對(duì)于浩瀚宇宙的無(wú)限想象，日夜無(wú)休地望向璀璨星空。

觀天“巨眼”明眸善睞

在正式啟用的前一天，《經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)》記者有幸零距離一睹“天眼”奇觀。群山擁抱的一個(gè)巨大的天坑里，由4450塊、186種大小不同的三角形反射板拼成的銀灰色“大碗”坐落其中。沿著碗的邊緣走一圈需要40分鐘左右，而這只碗的面積，則足足有30個(gè)足球場(chǎng)那么大。

為什么需要一臺(tái)如此大口徑的望遠(yuǎn)鏡？科學(xué)家們告訴記者，來(lái)自宇宙天體的無(wú)線電信號(hào)極其微弱，半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量尚翻不動(dòng)一頁(yè)紙。只有讓望遠(yuǎn)鏡的靈敏度變得更高，探測(cè)微弱無(wú)線電的能力才能更強(qiáng)，而要想提高靈敏度，就需要擴(kuò)大射電望遠(yuǎn)鏡的口徑。

FAST的口徑達(dá)到了世界之最——500米。理論上說(shuō)，F(xiàn)AST能接收到137億光年以外的電磁信號(hào)，這個(gè)距離接近于宇宙的邊緣。從射電望遠(yuǎn)鏡誕生至今，人類共發(fā)現(xiàn)了約2500顆脈沖星，如果FAST的工作時(shí)間全部用于觀測(cè)脈沖星，它一年時(shí)間內(nèi)就有望將這個(gè)數(shù)量翻倍。因此，F(xiàn)AST加盟大口徑望遠(yuǎn)鏡家族，將大大推進(jìn)人類認(rèn)識(shí)宇宙的速度。

“看著FAST落成啟用，那種感覺就像研究生時(shí)候日夜辛苦讀書，終于等到畢業(yè)那天校長(zhǎng)撥穗?！盕AST總工藝師、主動(dòng)反射面系統(tǒng)總工王啟明欣慰地說(shuō)，“在這里待久了，看著FAST從無(wú)到有，許多人都有了感情，它就像自己的孩子一樣。”

如今，這個(gè)睡眼惺忪的孩子已經(jīng)準(zhǔn)備好“睜開眼睛”看向新世界。隨著拼版的不斷變形，500米的球冠狀主動(dòng)反射面上實(shí)時(shí)形成一個(gè)300米直徑的瞬時(shí)拋物面，F(xiàn)AST靈活地轉(zhuǎn)動(dòng)著這個(gè)巨型眼珠，來(lái)自宇宙的秘密通過(guò)電磁波匯聚眼底，一覽無(wú)余。

為了聽清來(lái)自宇宙的輕聲“呢喃”，F(xiàn)AST要把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào)，聚集在藥片大小的空間里，這并非易事。為此，科學(xué)家們奇思妙想，用6根大跨度柔索，牽引饋源艙做高精度三維掃描運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)將饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自重降至30噸。輕巧的饋源艙，既降低造價(jià)，又提高穩(wěn)定性，可在百米尺度大工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)焦點(diǎn)，實(shí)時(shí)達(dá)到毫米級(jí)高精度定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天體的高精度指向跟進(jìn)觀測(cè)。

“FAST不僅宏偉壯觀，其最震撼人心的是它的精準(zhǔn)。它要求在如此大的尺度上達(dá)到毫米級(jí)精準(zhǔn)，并且要在約定時(shí)刻內(nèi)到達(dá)。”FAST工程測(cè)量與控制系統(tǒng)總工朱麗春說(shuō)。

這個(gè)鋼筋鐵骨的龐然大物，500米的結(jié)構(gòu)，處處都是頭發(fā)絲般毫米級(jí)的精度要求。用來(lái)編織索網(wǎng)的7000多根手臂般粗細(xì)的鋼纜，每一根的加工精度都被控制在一毫米以內(nèi)；最終的500米口徑的天線精度是3個(gè)毫米，反射面單元的厚度只有1.3毫米。

自主創(chuàng)新“雕琢”技能

從1994年提出構(gòu)想，到現(xiàn)在落成，F(xiàn)AST經(jīng)歷了22年。通過(guò)不斷創(chuàng)新雕琢各項(xiàng)技能，具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的FAST，成為世界上正在建造及計(jì)劃建造的口徑最大、最具威力的射電望遠(yuǎn)鏡，其反射面總面積25萬(wàn)平方米，光反射面板就用掉2000多噸鋁合金，圈梁、索網(wǎng)和6座支撐饋源艙的高塔用掉1萬(wàn)多噸鋼材。

與FAST的恢宏氣勢(shì)和豪華陣容相比，不遠(yuǎn)處的工程指揮部相形見絀，簡(jiǎn)易的板房連廁所都無(wú)法安裝，二樓鐵皮搭就的樓板走起來(lái)還咣當(dāng)作響。項(xiàng)目的工藝師、工程師們就駐扎在這里，從2011年開工一直堅(jiān)守至今。

“國(guó)家給的經(jīng)費(fèi)有限，算算資金還是很緊張，這種情況下，一定要把錢投到工程上去，先保證工程。如果把錢花在生活上，設(shè)備做不出來(lái)怎么辦？”王啟明說(shuō)。在他看來(lái)，工程每一筆錢都要絞盡腦汁細(xì)分，“這樣花錢可比賺錢累多了?！彼χf(shuō)。

FAST項(xiàng)目支出非常節(jié)省，很多設(shè)計(jì)都在前期做了充分的預(yù)研。至今指揮部的房屋后面，還堆放著許多當(dāng)初的試驗(yàn)樣機(jī)。記者看到，光是拉動(dòng)“天眼”變形所用的促動(dòng)器就大大小小擺了十幾根。

“促動(dòng)器做了9個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，幾十臺(tái)樣機(jī)在同時(shí)做，歷經(jīng)8年才誕生適合的產(chǎn)品。鋼索的疲勞試驗(yàn)也做了上百次，常用的斜拉橋上的鋼索，安裝強(qiáng)度是200兆帕、200萬(wàn)次彎曲，但FAST的鋼索設(shè)計(jì)要求是安裝強(qiáng)度500兆帕、200萬(wàn)彎曲次數(shù)，因此經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗。那時(shí)我們非常著急，調(diào)研了上百家企業(yè)、大學(xué)等。最終，當(dāng)承建單位研發(fā)出符合要求的新鋼索時(shí)，申請(qǐng)了12項(xiàng)專利?！蓖鯁⒚髡f(shuō)。

在高標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求篩選下，F(xiàn)AST薈萃了國(guó)內(nèi)最牛的施工單位。比如做圈梁的單位，是做過(guò)鳥巢、國(guó)家大劇院的；做面板網(wǎng)架的單位，是做過(guò)水立方的?！皠e的工程這些企業(yè)當(dāng)作一號(hào)工程來(lái)做，而把FAST稱為零號(hào)工程。很多企業(yè)不圖賺錢，而是覺得，作為行業(yè)翹楚，如果連這個(gè)世界第一的工程建設(shè)都不做，怎么能說(shuō)得過(guò)去。”王啟明說(shuō)。

工期緊迫，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)需要一邊克服技術(shù)上的難題，一邊做好工程上的把關(guān)?！爱?dāng)時(shí)工人的工作時(shí)間安排精細(xì)到半小時(shí)以內(nèi)，每一步工序都有嚴(yán)格的要求。比如刷油漆，必須晴天清洗完晾干才能刷，電焊焊條淋雨后必須烤干才能行，否則會(huì)產(chǎn)生氣孔影響工程質(zhì)量。貴州雨水最多的時(shí)候工人一連半個(gè)月刷不了油漆，等在工地上著急，但那也不行，堅(jiān)決不能刷。”王啟明說(shuō)。

無(wú)數(shù)的技術(shù)工人在這里灑下了辛勤的汗水。在工程最為復(fù)雜的反射面板的安裝上，11個(gè)月的時(shí)間，工人們高空作業(yè)，坐在節(jié)點(diǎn)上拼裝，一坐就是一天。下了雨沒法下來(lái)，只能披著雨衣原地等。吃飯靠著繩子把飯盒吊上去，他們還要盡量少喝水，避免上廁所。王啟明說(shuō)，那時(shí)工地上的條件非常艱苦。

如今，F(xiàn)AST落成啟用，工程團(tuán)隊(duì)人人都曬得黝黑，說(shuō)話語(yǔ)速也習(xí)慣性加快。自從2013年進(jìn)駐工地后，每次春節(jié)，王啟明總是最后一個(gè)走，幾乎所有節(jié)假日都是在工地度過(guò)。千頭萬(wàn)緒的工作讓他的白頭發(fā)越來(lái)越多，連老領(lǐng)導(dǎo)見了他都說(shuō)：“白頭發(fā)該焗一焗了！”

深空獵奇星際求索

利用貴州天然的喀斯特洼坑作為臺(tái)址取法自然，是FAST的創(chuàng)舉。

FAST臺(tái)址與觀測(cè)基地系統(tǒng)總工程師朱博勤告訴記者，自從1994年FAST工程建設(shè)提到日程上來(lái)，臺(tái)址勘察就緊鑼密鼓開展起來(lái)?！拔覀円紤]造價(jià)問(wèn)題、電磁波環(huán)境問(wèn)題、地質(zhì)基礎(chǔ)問(wèn)題、周圍無(wú)線電背景條件以及氣象條件等。從火山口、礦坑、隕石坑、巖溶地區(qū)洼地等中間挑選出最佳方案，最后認(rèn)為貴州喀斯特地貌的天然洼地正適合建造形如大鍋的FAST?！?/p>

FAST團(tuán)隊(duì)從約400個(gè)備選洼地中選定“大窩凼”作為傾聽宇宙的地方，因?yàn)樗淮蟛恍?，深度合適，形狀很圓，適于施工建設(shè)。這附近5公里半徑內(nèi)沒有一個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，25公里半徑內(nèi)只有一個(gè)縣城，周圍只有十幾戶人家，無(wú)線電干擾較少。

在FAST到來(lái)之前，當(dāng)?shù)氐氖畮讘羧思揖幼≡诓煌姷姆忾]小世界里，對(duì)于望遠(yuǎn)鏡怎么會(huì)建成一口“大鍋”？為何要建這個(gè)大家伙？他們不懂。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和村民們解釋了很多，他們還是聽得云里霧里，最后聽到要用“大鍋”接收信號(hào)來(lái)找“外星人”，村民們聽懂了。

村民們?yōu)椤巴庑侨恕卑岬搅随?zhèn)上，開始打量山洼外面那片新天地，而FAST則代替他們張望著故土穹頂?shù)男强?，以同樣的好奇心，探索著深空里的新世界?/p>

FAST將如何尋找外星人呢？FAST工程副總工藝師孫才紅告訴記者，人們平常接收的來(lái)自電臺(tái)、電視臺(tái)等的信號(hào)是經(jīng)過(guò)編碼的，而天文天體目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)沒有人為調(diào)試的過(guò)程，如果某天望遠(yuǎn)鏡接收到有規(guī)則的信號(hào)，一定不屬于天體現(xiàn)象，就有可能是外星文明的信號(hào)。

除了尋找外星生命，“天眼”還可以滿足人類對(duì)于宇宙的諸多的奇思幻想：黑洞的邊緣是怎樣的？星星來(lái)自哪里？為什么會(huì)有我們？這些秘密將通過(guò)電波在穿越億萬(wàn)光年時(shí)空后來(lái)到這里。

觀測(cè)脈沖星是“天眼”的重要任務(wù)之一。天文學(xué)家介紹，脈沖星就像天體物理實(shí)驗(yàn)室，可以研究一些特殊天體物理和宇宙演化現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)脈沖星與黑洞組成的雙星系統(tǒng)，科學(xué)家可利用脈沖星去研究黑洞周圍時(shí)空。

觀測(cè)脈沖星同時(shí)還能達(dá)到應(yīng)用上的目的。孫才紅說(shuō)，當(dāng)前觀測(cè)的脈沖星有2000多顆，有些脈沖星的周期頻率的標(biāo)準(zhǔn)比地球上最好的原子鐘還準(zhǔn)，通過(guò)“天眼”觀測(cè)進(jìn)一步補(bǔ)充脈沖星的數(shù)量，以后就有可能實(shí)現(xiàn)脈沖星導(dǎo)航，這對(duì)于深空探測(cè)具有重要意義。

此外，F(xiàn)AST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，所謂中性氫，就是宇宙中未聚攏成恒星發(fā)光發(fā)熱的氫原子，由一個(gè)質(zhì)子加一個(gè)電子組成。中性氫云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)正反映了早期宇宙的蛛絲馬跡?！疤煅邸庇^測(cè)中性氫信號(hào)，就可能獲知星系之間互動(dòng)的細(xì)節(jié)，甚至發(fā)現(xiàn)第一代天體以及宇宙漫長(zhǎng)發(fā)育歷程的線索。如果足夠幸運(yùn)，地球上的人類將通過(guò)“天眼”探知宇宙起源秘密，同樣也能據(jù)此分析宇宙的未來(lái)。

“一些天體演化的過(guò)程，必須通過(guò)天文觀測(cè)驗(yàn)證理論?！睂O才紅說(shuō)，恒星演化的最后階段變成脈沖星，太陽(yáng)演化的結(jié)果變成白矮星。白矮星的密度相當(dāng)于將上萬(wàn)頭大象壓縮在一個(gè)立方厘米，而脈沖星的密度，相當(dāng)于將上億頭大象壓縮到一個(gè)指甲蓋大小的空間里。這些演化只有在宇宙發(fā)生，地球上是模擬不出來(lái)的，因此需要更大的望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)更遠(yuǎn)的天文現(xiàn)象，讓宇宙的圖景更加清晰，讓人類對(duì)地外空間的認(rèn)識(shí)更進(jìn)一步。

中國(guó)“天眼”世界第一

自1963年建成以來(lái)，坐落于波多黎各喀斯特地貌中的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，已雄踞世界上接收面積最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的寶座長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)?！鞍⒗孜鞑钡淖畛蹩趶綖?05米，20世紀(jì)70年代擴(kuò)建至350米。

如今，F(xiàn)AST終于將取代“阿雷西博”，成為新的射電望遠(yuǎn)鏡之王。FAST工程饋源支撐系統(tǒng)副總工李輝介紹，“國(guó)外的望遠(yuǎn)鏡和我們很像，但是它的饋源艙放在一個(gè)平臺(tái)上，總重1000噸，是不能動(dòng)的，而FAST的饋源艙是懸掛在空中，可以靈活移動(dòng)接收聚焦的電波，饋源支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自重只有30噸”。

憑借500米的口徑、相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)的接收面積，F(xiàn)AST不僅將在尺寸規(guī)模上創(chuàng)造單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的新世界紀(jì)錄，而且在靈敏度和綜合性能上，也將登上世界的巔峰。

FAST主要性能指標(biāo)為：口徑達(dá)500米，球反射面半徑300米，有效照明口徑300米，天空覆蓋范圍為天頂角40度，工作頻率為70MHz至3GHz，靈敏度（L波段）為2000m2/K，分辨率（L波段）為2.9角分，多波束（L波段）19個(gè)，觀測(cè)換源時(shí)間小于10分鐘，跟蹤精度8角秒。

與號(hào)稱“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的靈敏度提高約10倍；與排在“阿波羅”登月之前、被評(píng)為人類20世紀(jì)十大工程之首的美國(guó)“阿雷西博”305米望遠(yuǎn)鏡相比，綜合性能提高約10倍。

“FAST工程涉及的技術(shù)是前沿的，我們站在世界前沿，盡管非常難，也非常艱險(xiǎn)，但是風(fēng)景非常美麗，這是我們的幸運(yùn)之處?！敝禧惔赫f(shuō)。

FAST工程副總經(jīng)理、辦公室主任張蜀新表示，“天眼”的綜合設(shè)計(jì)體現(xiàn)了我國(guó)的自主創(chuàng)新能力，其建設(shè)將推動(dòng)眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展，提高原始創(chuàng)新能力、集成創(chuàng)新能力和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新能力。它的建設(shè)與運(yùn)行將促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)的繁榮和社會(huì)進(jìn)步，符合國(guó)家區(qū)域發(fā)展的總體戰(zhàn)略。

根據(jù)國(guó)際射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)AST竣工后將進(jìn)入緊張的調(diào)試—試運(yùn)行觀測(cè)階段。“FAST龐大的系統(tǒng)和應(yīng)用的技術(shù)，目前在其他射電望遠(yuǎn)鏡里是沒有的，但是望遠(yuǎn)鏡建成不等于達(dá)到性能最好，未來(lái)三到五年要通過(guò)觀測(cè)和不斷調(diào)試將FAST的性能達(dá)到最優(yōu)?！睆埵裥抡f(shuō)。

“當(dāng)然在這個(gè)過(guò)程中，也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，希望有一些突破性的成果，但是我們更希望在望遠(yuǎn)鏡性能達(dá)到最優(yōu)后獲得高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。”孫才紅說(shuō)。

作為世界最大的單口徑望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST將在未來(lái)10年至20年保持世界一流設(shè)備的地位。