位于貴州平塘的球面射電望遠鏡，被稱為“天眼”，它是全球最大的巨型射電望遠鏡，亦是全球最大的利用天然地貌建設的巨型望遠鏡，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”將萬噸平臺降至幾十噸且實現(xiàn)毫米級動態(tài)定位。
從1993年中國天文學家倡議建造新一代射電大望遠鏡，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鏡FAST主體工程完工，時光行過了整整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鏡”的英文簡稱。7月3日，隨著FAST工程總經(jīng)理、國家天文臺臺長嚴俊的一聲令下，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個足球場面積的反射面得以全部鋪設完成。反射面工程系FAST最后一個設備工程，其順利完成，標志著FAST工程主體工程的順利完工。
從1993年國際無線電聯(lián)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，到如今FAST工程主體完工，時光整整過去了23年。
緣何會在貴州平塘縣的大窩凼建造這一望遠鏡，而不在距離國家天文臺較近的華北地區(qū)選址？貴州有何特別之處嗎？
早在1994年，中科院國家天文臺南仁東教授提出——可選擇國內的喀斯特洼地作為望遠鏡臺址。1995年底，國內20余所大學和研究所聯(lián)合成立了射電大望遠鏡中國推進委員會，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鏡是美國的阿雷西博（Arecibo）300米望遠鏡，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，形成負地形。比起波多黎各來，中國的喀斯特洼地分布面積更大——中國是世界上喀斯特洼地分布面積最大的國家，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。當然，中國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)。
東南大學土木工程學院郭正興教授和他的團隊于2011年參與到FAST項目中。提及選址，郭正興認為，貴州的喀斯特地貌中，有很多天然形成的天坑，剛好適合“鍋”狀的射電望遠鏡。外加山區(qū)人煙稀少，也不受射頻信號的干擾。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，始終都是中國大射電望遠鏡最獨到、成為世界最大最強的基礎。
盡管參與項目的許多專家教授都認為選址貴州很合適，但從1995年開始為期10年的預研究階段，科學家并沒有找出一個準確的地點。
萬山重巒，為了給新一代射電大望遠鏡安家，在大方向明確后，國家天文臺委托了兩家科研單位平行獨立搜尋。“兩家單位各自使用遙感設備，從300多個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分。”中國科學院國家天文臺研究員、500米口徑球面射電望遠鏡工程副總經(jīng)理彭勃如是說。
回憶起第一次看到望遠鏡施工地的情景，郭正興記得自己脫口而出：“乖乖，太大了。”他還表示，施工地點四面環(huán)山，中間凹陷下去。射電望遠鏡的形狀本身就像一口大鍋，剛好能穩(wěn)穩(wěn)地架在山中，絕對是難度空前的項目。
施工難度不僅僅在技術上。郭正興說：“原本這大坑里還住著幾戶人家。聽說此地的姑娘有的一輩子沒有出過這座大山。因為選址附近沒有基站，也不允許使用手機，所以在這里工作只好通過固定電話與外界聯(lián)絡。”之所以不安設基站，是因為手機信號遠遠強于來自遙遠宇宙深處的信號。從省會貴陽到平塘縣，有一百六七十公里路，車程4小時。確實完完全全是兩個世界。在FAST項目啟動后，貴州省還特別立了《500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區(qū)保護辦法》。
人天精妙結合
在FAST正式運轉以后，當?shù)氐膰H射電科普旅游文化園專用通道以及觀景臺等亦將逐步對外開放。當然，比之一般的旅游來說，在此沒有手機信號之地旅行，巡天遙看一千河，是另一番感覺。
回想當年，彭勃說，射電望遠鏡在設計建造之初就曾遇到經(jīng)費緊張，但不管減什么科學家們都不愿縮小望遠鏡的口徑。不減小口徑，意味著選址大窩凼不會改變。
2011年9月，北京市建筑設計研究院有限公司（BIAD）復雜結構研究院，接受中科院國家天文臺委托，進行FAST圈梁、索網(wǎng)的結構咨詢方面的工作。由于BIAD在圈梁和格構柱關系、降低索網(wǎng)應力、索網(wǎng)節(jié)點設計等方面的突出工作，贏得了中科院天文臺科學家的信任，2012年完成咨詢任務后，中科院國家天文臺正式委托BIAD進行FAST反射面系統(tǒng)主體支承結構設計。
該院鋼結構所副所長張琳告訴《新民周刊》記者：“我們之前很少接觸到這樣的項目——一半是天然的，一半是人工建筑。盡管大窩凼很大，口徑500米，但畢竟不是人工構建的，在借助天然地勢之前，我們必須要注意——在依賴地形的同時，也要適應地形、順勢而為。”
BIAD設計團隊深入研究了FAST反射面的四大特點——首先是尺度巨大，口徑500米、面積是美國阿雷西博望遠鏡的2.5倍；其次是反射面在工作時，能實時調整形態(tài)，在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面以匯聚電磁波，這一點又完全不同于阿雷西博；第三則是其作為天文望遠鏡，精度需達到毫米級。外加工程位于地質、地貌復雜的喀斯特洼地，邊界復雜。
“基于上述特點，F(xiàn)AST超越了以往工程的概念，其建造凸顯多項技術難題。通過科技攻關，中國工程師取得系列技術創(chuàng)新成果，建成世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡，代表了中國制造的新水平。”張琳說。
去年于貴陽召開的第二屆“射電天體物理前沿及FAST早期科學”研討會上，美國加州大學伯克利分校射電實驗室主卡爾·海爾斯發(fā)言稱：“FAST相比起阿雷西博來說，更加靈敏，覆蓋更大天區(qū)，且具有19波束的接收機，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遇。”
由于星際氣體和塵埃的消光作用，光學望遠鏡難以看到更遠的恒星，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厘米波長發(fā)射譜線，它幫了人類的大忙。遙遠的21厘米（即頻率為1420兆赫）射電輻射，能夠穿透“云山霧障”到達地球。但由于銀河系的自轉，按照多普勒效應，21厘米波長的氫譜線不僅變寬，而且還發(fā)生頻率移動。譜線的頻率移動值越大，就表示發(fā)出該譜線的射電源的相對視向速度越大，也就是說，該射電源離我們越遠。而如果射電源里面HI的含量越多，它們發(fā)射出的輻射強度也就越大。這樣，從射電觀測資料便可推算出，在所測方向上的星際中性氫的含量，以及它們到觀測者的距離。而作為目前地球上口徑最大的射電望遠鏡FAST的優(yōu)勢正在于口徑大。
中科院國家天文臺射電部首席科學家李菂解釋說，我國的望遠鏡與美國望遠鏡都是整體固定在地面上，但我國望遠鏡500米口徑的球面是由四千多面主動反射單元構成，這一個個小的反射單元可以進行對焦，因此靈敏度可達Arecibo望遠鏡的2倍，巡天速度是它的10倍。
中國科學院國家天文臺500米口徑球面射電望遠鏡工程總工藝師王啟明說，僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬多噸鋼材。
望遠鏡反射面總面積為25萬平方米，相當于30個標準足球場那么大。盡管反射面板才1毫米厚，也用掉2000多噸鋁合金。”王啟明說。
但大射電望遠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剛性連接的情況下，可實現(xiàn)毫米級指向跟蹤，確保精確地聚集和監(jiān)聽宇宙中微弱的射電信號。
張琳說：“北京市建筑設計研究院有限公司及合作團隊通過FAST的工程創(chuàng)新與實踐，提升了中國工程建造的水平，整合了產(chǎn)業(yè)鏈的上下游。FAST項目的研究成果也推廣應用于多項國家重點工程，經(jīng)濟社會效益顯著。通過FAST項目積累下的寶貴經(jīng)驗，我們BIAD也跨界到了科學領域大工程復雜技術的挑戰(zhàn)中。”
中科院院長白春禮在FAST考察時曾指出：“當前國際競爭十分激烈，要爭取FAST能夠按期竣工。早日竣工，早日拿到數(shù)據(jù)，也是早日回報國家給予工程的投資。”白春禮所謂的回報，未必是金錢方面的回報。例如，國內的大飛機制造工程近年來投入巨大，一旦取得突破，將為我國的材料科學等諸多產(chǎn)業(yè)帶來成果和效益，這將極大地反哺工業(yè)、制造業(yè)和民生領域。（記者｜姜浩峰）