位于貴州平塘的球面射電望遠(yuǎn)鏡，被稱為“天眼”，它是全球最大的巨型射電望遠(yuǎn)鏡，亦是全球最大的利用天然地貌建設(shè)的巨型望遠(yuǎn)鏡，采用四千多塊等邊葉片組成反射面；外加輕型索“四兩撥千斤”將萬(wàn)噸平臺(tái)降至幾十噸且實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)動(dòng)態(tài)定位。
從1993年中國(guó)天文學(xué)家倡議建造新一代射電大望遠(yuǎn)鏡，到去貴州選址，選定黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼，及至今年7月3日世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST主體工程完工，時(shí)光行過(guò)了整整23年。
三百候選地中選出大窩凼
FAST，是“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”的英文簡(jiǎn)稱。7月3日，隨著FAST工程總經(jīng)理、國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)嚴(yán)俊的一聲令下，最后一塊反射面單元緩緩起吊，在完成了二次空中轉(zhuǎn)接并用纜索吊下滑到指定位置后被順利安裝在索網(wǎng)上。
這最后的一吊，終于使得近30個(gè)足球場(chǎng)面積的反射面得以全部鋪設(shè)完成。反射面工程系FAST最后一個(gè)設(shè)備工程，其順利完成，標(biāo)志著FAST工程主體工程的順利完工。
從1993年國(guó)際無(wú)線電聯(lián)大會(huì)上，包括中國(guó)在內(nèi)的10國(guó)天文學(xué)家提出建造新一代射電大望遠(yuǎn)鏡，到如今FAST工程主體完工，時(shí)光整整過(guò)去了23年。
緣何會(huì)在貴州平塘縣的大窩凼建造這一望遠(yuǎn)鏡，而不在距離國(guó)家天文臺(tái)較近的華北地區(qū)選址？貴州有何特別之處嗎？
早在1994年，中科院國(guó)家天文臺(tái)南仁東教授提出——可選擇國(guó)內(nèi)的喀斯特洼地作為望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址。1995年底，國(guó)內(nèi)20余所大學(xué)和研究所聯(lián)合成立了射電大望遠(yuǎn)鏡中國(guó)推進(jìn)委員會(huì)，提出了利用貴州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天線陣”的喀斯特工程概念。
在FAST之前，世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡是美國(guó)的阿雷西博（Arecibo）300米望遠(yuǎn)鏡，位于波多黎各島，選址已是在喀斯特洼地里了。
喀斯特洼地，又稱“溶蝕洼地”。生成于碳酸鹽巖地區(qū)——由于常年溶蝕作用，形成負(fù)地形。比起波多黎各來(lái)，中國(guó)的喀斯特洼地分布面積更大——中國(guó)是世界上喀斯特洼地分布面積最大的國(guó)家，從熱帶到寒帶各種喀斯特地貌類型齊全——幾乎所有的省區(qū)都有喀斯特的分布。當(dāng)然，中國(guó)的喀斯特洼地絕大多數(shù)分布于廣西、云南、貴州等西南省區(qū)。
東南大學(xué)土木工程學(xué)院郭正興教授和他的團(tuán)隊(duì)于2011年參與到FAST項(xiàng)目中。提及選址，郭正興認(rèn)為，貴州的喀斯特地貌中，有很多天然形成的天坑，剛好適合“鍋”狀的射電望遠(yuǎn)鏡。外加山區(qū)人煙稀少，也不受射頻信號(hào)的干擾。四面環(huán)山的地形形成了天然的反射面，屏蔽了眾多人為信號(hào)的干擾。換言之，貴州天然喀斯特洼坑提供的條件，始終都是中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡最獨(dú)到、成為世界最大最強(qiáng)的基礎(chǔ)。
盡管參與項(xiàng)目的許多專家教授都認(rèn)為選址貴州很合適，但從1995年開(kāi)始為期10年的預(yù)研究階段，科學(xué)家并沒(méi)有找出一個(gè)準(zhǔn)確的地點(diǎn)。
萬(wàn)山重巒，為了給新一代射電大望遠(yuǎn)鏡安家，在大方向明確后，國(guó)家天文臺(tái)委托了兩家科研單位平行獨(dú)立搜尋�！皟杉覇挝桓髯允褂眠b感設(shè)備，從300多個(gè)候選洼坑中逐一遴選。最終，兩家單位都給了黔南州平塘縣的大窩凼以最高評(píng)分。”中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程副總經(jīng)理彭勃如是說(shuō)。
回憶起第一次看到望遠(yuǎn)鏡施工地的情景，郭正興記得自己脫口而出：“乖乖，太大了。”他還表示，施工地點(diǎn)四面環(huán)山，中間凹陷下去。射電望遠(yuǎn)鏡的形狀本身就像一口大鍋，剛好能穩(wěn)穩(wěn)地架在山中，絕對(duì)是難度空前的項(xiàng)目。
施工難度不僅僅在技術(shù)上。郭正興說(shuō)：“原本這大坑里還住著幾戶人家。聽(tīng)說(shuō)此地的姑娘有的一輩子沒(méi)有出過(guò)這座大山。因?yàn)檫x址附近沒(méi)有基站，也不允許使用手機(jī)，所以在這里工作只好通過(guò)固定電話與外界聯(lián)絡(luò)�！敝圆话苍O(shè)基站，是因?yàn)槭謾C(jī)信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于來(lái)自遙遠(yuǎn)宇宙深處的信號(hào)。從省會(huì)貴陽(yáng)到平塘縣，有一百六七十公里路，車程4小時(shí)。確實(shí)完完全全是兩個(gè)世界。在FAST項(xiàng)目啟動(dòng)后，貴州省還特別立了《500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡電磁波寧?kù)o區(qū)保護(hù)辦法》。
人天精妙結(jié)合
在FAST正式運(yùn)轉(zhuǎn)以后，當(dāng)?shù)氐膰?guó)際射電科普旅游文化園專用通道以及觀景臺(tái)等亦將逐步對(duì)外開(kāi)放。當(dāng)然，比之一般的旅游來(lái)說(shuō)，在此沒(méi)有手機(jī)信號(hào)之地旅行，巡天遙看一千河，是另一番感覺(jué)。
回想當(dāng)年，彭勃說(shuō)，射電望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)建造之初就曾遇到經(jīng)費(fèi)緊張，但不管減什么科學(xué)家們都不愿縮小望遠(yuǎn)鏡的口徑。不減小口徑，意味著選址大窩凼不會(huì)改變。
2011年9月，北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司（BIAD）復(fù)雜結(jié)構(gòu)研究院，接受中科院國(guó)家天文臺(tái)委托，進(jìn)行FAST圈梁、索網(wǎng)的結(jié)構(gòu)咨詢方面的工作。由于BIAD在圈梁和格構(gòu)柱關(guān)系、降低索網(wǎng)應(yīng)力、索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面的突出工作，贏得了中科院天文臺(tái)科學(xué)家的信任，2012年完成咨詢?nèi)蝿?wù)后，中科院國(guó)家天文臺(tái)正式委托BIAD進(jìn)行FAST反射面系統(tǒng)主體支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
該院鋼結(jié)構(gòu)所副所長(zhǎng)張琳告訴《新民周刊》記者：“我們之前很少接觸到這樣的項(xiàng)目——一半是天然的，一半是人工建筑。盡管大窩凼很大，口徑500米，但畢竟不是人工構(gòu)建的，在借助天然地勢(shì)之前，我們必須要注意——在依賴地形的同時(shí)，也要適應(yīng)地形、順勢(shì)而為�！�
BIAD設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)深入研究了FAST反射面的四大特點(diǎn)——首先是尺度巨大，口徑500米、面積是美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的2.5倍；其次是反射面在工作時(shí)，能實(shí)時(shí)調(diào)整形態(tài)，在觀測(cè)方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面以匯聚電磁波，這一點(diǎn)又完全不同于阿雷西博；第三則是其作為天文望遠(yuǎn)鏡，精度需達(dá)到毫米級(jí)。外加工程位于地質(zhì)、地貌復(fù)雜的喀斯特洼地，邊界復(fù)雜。
“基于上述特點(diǎn)，F(xiàn)AST超越了以往工程的概念，其建造凸顯多項(xiàng)技術(shù)難題。通過(guò)科技攻關(guān)，中國(guó)工程師取得系列技術(shù)創(chuàng)新成果，建成世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，代表了中國(guó)制造的新水平�！睆埩照f(shuō)。
去年于貴陽(yáng)召開(kāi)的第二屆“射電天體物理前沿及FAST早期科學(xué)”研討會(huì)上，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校射電實(shí)驗(yàn)室主卡爾·海爾斯發(fā)言稱：“FAST相比起阿雷西博來(lái)說(shuō)，更加靈敏，覆蓋更大天區(qū)，且具有19波束的接收機(jī)，這使得FAST在HI/OH吸收線、脈沖星搜尋等方面擁有革命性的機(jī)遇。”
由于星際氣體和塵埃的消光作用，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡難以看到更遠(yuǎn)的恒星，值得慶幸的是，1950年，發(fā)現(xiàn)了星際氫原子（中性氫，常用HI表示）21厘米波長(zhǎng)發(fā)射譜線，它幫了人類的大忙。遙遠(yuǎn)的21厘米（即頻率為1420兆赫）射電輻射，能夠穿透“云山霧障”到達(dá)地球。但由于銀河系的自轉(zhuǎn)，按照多普勒效應(yīng)，21厘米波長(zhǎng)的氫譜線不僅變寬，而且還發(fā)生頻率移動(dòng)。譜線的頻率移動(dòng)值越大，就表示發(fā)出該譜線的射電源的相對(duì)視向速度越大，也就是說(shuō)，該射電源離我們?cè)竭h(yuǎn)。而如果射電源里面HI的含量越多，它們發(fā)射出的輻射強(qiáng)度也就越大。這樣，從射電觀測(cè)資料便可推算出，在所測(cè)方向上的星際中性氫的含量，以及它們到觀測(cè)者的距離。而作為目前地球上口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡FAST的優(yōu)勢(shì)正在于口徑大。
中科院國(guó)家天文臺(tái)射電部首席科學(xué)家李菂解釋說(shuō)，我國(guó)的望遠(yuǎn)鏡與美國(guó)望遠(yuǎn)鏡都是整體固定在地面上，但我國(guó)望遠(yuǎn)鏡500米口徑的球面是由四千多面主動(dòng)反射單元構(gòu)成，這一個(gè)個(gè)小的反射單元可以進(jìn)行對(duì)焦，因此靈敏度可達(dá)Arecibo望遠(yuǎn)鏡的2倍，巡天速度是它的10倍。
中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程總工藝師王啟明說(shuō)，僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬(wàn)多噸鋼材。
望遠(yuǎn)鏡反射面總面積為25萬(wàn)平方米，相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。盡管反射面板才1毫米厚，也用掉2000多噸鋁合金。”王啟明說(shuō)。
但大射電望遠(yuǎn)鏡絕不是金屬堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文儀器。它在饋源與反射面之間無(wú)剛性連接的情況下，可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)指向跟蹤，確保精確地聚集和監(jiān)聽(tīng)宇宙中微弱的射電信號(hào)。
張琳說(shuō)：“北京市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司及合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)FAST的工程創(chuàng)新與實(shí)踐，提升了中國(guó)工程建造的水平，整合了產(chǎn)業(yè)鏈的上下游。FAST項(xiàng)目的研究成果也推廣應(yīng)用于多項(xiàng)國(guó)家重點(diǎn)工程，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。通過(guò)FAST項(xiàng)目積累下的寶貴經(jīng)驗(yàn)，我們BIAD也跨界到了科學(xué)領(lǐng)域大工程復(fù)雜技術(shù)的挑戰(zhàn)中�！�
中科院院長(zhǎng)白春禮在FAST考察時(shí)曾指出：“當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，要爭(zhēng)取FAST能夠按期竣工。早日竣工，早日拿到數(shù)據(jù)，也是早日回報(bào)國(guó)家給予工程的投資�！卑状憾Y所謂的回報(bào)，未必是金錢(qián)方面的回報(bào)。例如，國(guó)內(nèi)的大飛機(jī)制造工程近年來(lái)投入巨大，一旦取得突破，將為我國(guó)的材料科學(xué)等諸多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)成果和效益，這將極大地反哺工業(yè)、制造業(yè)和民生領(lǐng)域。（記者｜姜浩峰）