FAST：凝聚中國創新傾聽宇宙聲音

　　 “記得剛到FAST的時候，那里只有一個碩大的天坑，周圍什么都沒有，一片荒涼。從坑底走上來，需要1個多小時的時間。”FAST饋源支撐系統助理工程師李銘哲曾經這樣描述過。現在，當你驅車前往克度鎮這個偏僻的黔南小鎮，再穿過一道道的狹窄山口，到達一個名叫‘大窩凼’的喀斯特洼地時，視野就會被一個500米直徑的白色鋼環填滿，那是史上最大望遠鏡的圈梁。

　　從1994年開始，中科院國家天文臺聯合中科院遙感所、西安電子科技大學、清華大學等30所科研單位和大專院校，都投入到中科院戰略先導項目“世界最大單口徑射電望遠鏡”（英文簡稱FAST）建設中，FAST于2016年9月25日正式竣工。這項歷時22年的大科學工程的建成，將中國天文學研究推向了一個更為廣深的世界。

　　廿二載鑄就“中國天眼”

　　1993年在東京召開的國際無線電科學聯盟大會上，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。他們期望，在全球電信號環境惡化到不可收拾之前，能多收獲一些射電信號。建造FAST的動機肇始于此。

　　“根據國際大環境和我國特有的地理條件，中國天文學家提出在貴州喀斯特洼地中建造大口徑球面射電望遠鏡的建議和工程方案。”中科院國家天文臺副研究員岳友嶺告訴《中國科學報》記者。

　　1994年6月，FAST選址工作啟動，FAST首席科學家兼總工程師南仁東和他的同事們開始了長達十余年的預研究工作。為了找到最適合的建造位置，項目組成員通過衛星獲取和分析了上千個洼坑的數字地形模型（DTM）地圖。在沒有道路的情況下，足跡踏遍了上百個窩凼和洼坑。這是一項實際執行比預想要困難多的大工程。選擇一個好的臺址需要考量多種因素，包括洼坑的質地情況、地形地貌、氣候、電波環境、當地人口情況、周邊環境等。最終，FAST臺址確定在貴州省平塘縣的‘大窩凼’是綜合因素的最優解。

　　2005年11月，中科院召開院長辦公會議，聽取各個“十一五”大科學工程的立項申請匯報，南仁東在會上為FAST申請立項并得到通過。2007年7月國家發改委批復FAST工程正式立項，開始了長達9年的設計和建造。

　　FAST的設計目標，是把覆蓋30個足球場的信號，聚集在幾厘米大小的空間里。只有這樣才能監聽到宇宙中微弱的射電信號。500米的結構，框架、索網、接收器，每一部分的位移都要控制在毫米級，FAST才能正常工作，是天文學家從未做過的。

　　百米口徑已接近全可動射電望遠鏡的極限，建造如此巨大的射電望遠鏡，國際上沒有先例，而500米口徑的結構要實現毫米級精度，也前所未有。在選址、主動反射面設計、饋源支撐系統優化、饋源與接收機及關于測量與控制技術等方面，很多技術只能靠我們自己鉆研解決。

　　“超級工程”擊破技術難題

　　FAST是世界上唯一一個完全利用變形反射面工作的射電望遠鏡，500米的反射面板中有300米的區域實時變形成拋物面，這樣就能接收來自不同方向的電磁波。而FAST能動，靠的就是2200多根下拉索。FAST一生中每一根下拉索至少要反復拉伸幾十萬次，這對下拉索的質量要求特別高。

　　岳友嶺說：“工程上要解決的就是鋼索耐疲勞問題。在整個望遠鏡的生命周期里，鋼索要不斷地被拉縮，需要的鋼索的耐疲勞性能要達到兩百萬次，超過國家規范，當時世界上沒有任何一個國家生產這種鋼索。團隊做了很多次實驗，剛開始幾萬次就壞掉，后來做到了兩百萬次的壽命。這項技術的突破填補了國際上的空白。”

　　鋼索的研發成功，促成了十二項自主創新ZL成果的形成。世界上跨度最大、精度最高的索網結構在FAST工程身上得以成功運用。

　　“為了保證望遠鏡不受電磁干擾，我們對所有的電氣設備都進行了評估和電磁防護。” 中科院國家天文臺高級工程師甘恒謙向記者解釋，在6個塔頂上，為了監測鋼絲繩和滑輪的安全要安裝一臺攝像機，在對攝像機進行電磁屏蔽的同時需要給鏡頭留出一個窗口觀測鋼絲繩和滑輪運轉的情況。“屏蔽玻璃，是一種中間夾很細的金屬絲網的雙層玻璃，其金屬絲細到肉眼無法分辨，它既滿足攝像要求，又滿足電磁屏蔽的要求。利用這種屏蔽玻璃生產出來的攝像機屏蔽艙，最后它的屏蔽效果到達80dB（分貝），基本達到業界最高水平。”

　　像這樣創新的例子，在FAST的建造過程中不勝枚舉。FAST由主動反射面、饋源支撐、測量與控制、接收機與終端、臺址與觀測基地等六大系統組成，每一個系統里又有很多個子系統，每一個子系統里又有很多個裝置。科學工作者用了22年的時間，自主設計、自主研發了FAST的絕大部分技術。

　　助力探索宇宙奧秘

　　南仁東曾經說過，現在我們偵測到的約2000顆脈沖星，全都是銀河系內的。別的星系想必也有脈沖星。所以FAST會對準別的星系，發現更遠更奇特的脈沖星，研究它們的物理性質。

　　FAST還可能觀測到宇宙中最豐富的元素——中性氫。所謂中性氫，就是宇宙中未聚攏成恒星的自由氫原子。通過觀測中性氫信號，就能獲知星系之間互動的細節，還可能發現早期宇宙中剛剛形成的氫是怎么運動的，從而為宇宙演化史提供線索。

　　未來有FAST望遠鏡參與組成的太空探測測控網，其測控能力可以延伸到太陽系的外沿，將深空通訊數據下行速率提高幾十倍。脈沖星到達時間測量精度由目前的120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈沖星計時陣。

　　平方公里陣列（SKA）總干事菲利普·約翰·戴蒙德曾經這樣評價：“中國已對世界天文界作出了很多貢獻，FAST的建成更加令人驚嘆，它把中國天文學帶到世界第一梯隊。”

　　FAST的意義不僅僅限于科學研究上的探索與突破，對伴隨著此類大科學工程成長起來的人也產生了巨大的影響。甘恒謙說：“人才培養是我們這種單位的優勢，我們自己的學生有很多通過參與這個項目，已經在這個望遠鏡的調試和維護中擔任重要角色。”

　　目前，望遠鏡處在整體調試階段。未來將有能力巡視宇宙中的中性氫、探測星際分子、觀測脈沖星、搜尋星際通訊信號，天文學將注定有更多的突破。