


500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST),是世界上最大的射电望远镜。被人称作“观天巨眼”,或是倾听宇宙讯号的“大耳朵”。
这只“天眼”,要探索的是十分古老却不乏趣味的问题——宇宙演化、脉冲星探测和星际分子。它将帮助解开宇宙初始混沌、暗物质分布与大尺度结构,以及星系演化等领域的谜团。而备受关注的“寻找地外文明(外星人)”,仅是其最末位的科学目标。
FAST建成后,将拥有世界领先的绝对灵敏度,因而能够高灵敏地探测宇宙中物质的主要成分,预期发现的脉冲星数量是人类已知的两倍。这就有可能在广义相对论和引力波探测方面取得重大突破。
据称,人类在1967年发现一种高速旋转的中子星,类似于海边灯塔,旋转的光柱扫过地球,称其为脉冲星。目前已侦测的约2000颗脉冲星均属于银河系,而FAST将对准其他星系。通过监测21厘米微弱电磁波,FAST有望寻找中性氢云团的“蛛丝马迹”,继而获知星系间互动细节、探寻宇宙发育史。
FAST的基本原理与人们常见的锅式卫星天线相似,即抛物面反射信号、馈源接收信号。但让一口直径500米、几乎相当于30个足球场的接收面积的“锅”,去聆听宛如“雷声中的蝉鸣”那般微弱的射电,需要毫米级精度——
6个支撑塔各“伸”出一条柔性钢索,将直径13米、重30吨的馈源舱悬吊在半空。通过收放钢索,使它能够在距离地面高140—180米、直径为207米的球冠面上按照科学家的要求做相应运动。
精确还体现在反射面板,4450个边长在10.2米至12.4米之间的反射面单元,分为400多种,每个反射面单元又由100个形态各异的更小单元拼接而成。攻关团队将构件数量达上百万件的单块子单元表面精度控制在1毫米以上,每块反射面上都可以进行对焦。
这些,让FAST与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo 300米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。
FAST还有一个特点是轻便、灵活。
我国科学家自主提出的轻型索支撑馈源平台建设,有别于阿雷西博望远镜等传统做法,将馈源舱平台从近万吨降至30吨。
这只“观天巨眼”还显得格外灵活。研制团队用8895根钢索和4450块反射面板组成的球冠型索膜结构,相当于在一个钢索“网兜”上拼接出球形发射镜面,通过控制钢索就可实现镜面连续变形。
经过近4年时间,专家们还研制出铝合金做成的窗帘式动光缆,可让电缆和光缆像拉窗帘那样随绳索长度改变而伸缩。从空中俯瞰,FAST巧妙地“镶嵌”在浑圆的天然喀斯特洼地“大窝凼”里——这是科学家从400多个备选洼地里精挑细选,其地质条件保障雨水向地下泄流,附近5公里半径内没有一个乡镇,无线电环境理想。
FAST将于2016年9月竣工,并在未来20年至30年保持世界一流设备的地位。
如果围绕FAST上沿、周长1.6公里的白色圈梁步行一圈, “丈量”射电望远镜的规模,将花费40分钟。专家介绍,这里开挖出的90万方土石,修建了7公里的进场道路。
巨大的背后,是浩大的工程量。工程主要有六个方面:台址勘察与开挖,主动反射面,馈源支撑,测量与控制,接收机与终端,观测基地建设。
不久前,在加拿大召开的SKA(平方公里阵列射电望远镜)国际大科学工程天线工作包联盟董事会会议,批准通过了中方提出的SKA天线设计方案。SKA将成为世界上最大的综合孔径射电天文望远镜,比现有地面最大的射电望远镜阵列的灵敏度提高50倍,可以探测50光年以外行星信号。
而FAST曾被作为SKA的先导模型而提出,后来‘大口径而个数少’与‘小口径而个数多’这两条思路分离。天然大坑的地形优势,合适的技术路线使得FAST先行一步。FAST的光缆技术未来也有可能用于SKA,为天文探测做出更多贡献。