原標題：500米口徑望遠鏡讓中國射電天文領跑世界(圖)
位於貴州省黔南州平塘縣克度鎮金科村的500米口徑球面射電望遠鏡全景。FAST工程辦公室提供
開欄的話 大科學工程是20世紀以來世界科技進步和社會發展的最重要的基礎設施，也是一個國家創新力以及核心競爭力的主要表徵。就當今世界科技而言，一個國家在關鍵領域領先一步，哪怕只是一小步，往往都會造成「勝者全得」或者「強者恆強」的局面。而為實現領先一步，大科學工程當之無愧地成為「國之重器」。從「兩彈一星」到載人航天，從北京正負電子對撞機到大亞灣中微子實驗，中國每一次重大科學突破，幾乎都與大科學工程聯繫在一起。新中國成立後，中國的大科學工程同時面向國家戰略需求和世界科學前沿，通過核心技術突破和資源集成，取得了諸多決定著國家地位和命運的重大成果。歷史和現實一再見證，搞大科學工程是中國科學技術跨越式發展的必由之路，也是我們集中力量辦大事的政治優勢的集中體現。本報今天開始以新欄目「走近中國大科學工程」，引領讀者徜徉最前沿的科學天地，並深度感知那些和平發展的中國故事。
從貴陽機場驅車向南，經高速公路轉上土石路，顛簸3個小時，穿過最後一道狹窄山口，500米直徑的白色鋼環突然出現，填滿了視野。那是史上最大望遠鏡的圈梁。
走上FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）的圈梁，像是走在一座鋼橋上。它被50根6米到50米高低不等的鋼柱支在半空，周長1.6公裡，繞走一圈要40分鐘。
雞蛋粗細橡膠表面的索繩，攀附圈梁懸垂交錯，總重1300噸，已編織成網，於2月4日完工。下一步，就是拼裝FAST的天線反射面。FAST預計2016年成型，中國的射電天文學屆時將領跑世界。
越大越好
電視收不到信號時，屏幕上不是一片空白，而是雪花閃爍並發出刺刺聲，這就是來自太空的射電信號。1931年，美國一位電子工程師發現，銀河中心能傳來有規律的電波。這開創了射電天文學。
射電跟光沒太大區別，都是電磁波。光只是能刺激眼睛的一小部分電磁波。從伽馬射線到紫外線到可見光再到紅外線和射電，各有監測這些不同波段電磁波的望遠鏡。「射電」是比紅外線頻率還要低的電磁波段。
射電望遠鏡，跟收衛星信號的天線鍋是一回事。通過鍋的反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號聚攏到一點上。射電天文學家是裝備最高級的無線電愛好者，他們聆聽的信號不是人造的，而是「天生」的。
為了提高射電望遠鏡的表現，天文學家想出一個辦法，就是讓許多個天線鍋對準同一目標，通過比對信號算出更精確的信號位置。但是想接收更微弱的射電，只有把天線鍋造得更大。中國科學院國家天文臺FAST工程首席科學家、總工程師南仁東說，宇宙空間混雜各種輻射，遙遠的信號像雷聲中的蟬鳴，沒有超級靈敏的耳朵就分辨不出來。
1993年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」。他們期望，在全球電信號環境惡化到不可收拾之前，能多收穫一些射電信號。建造FAST的動機肇始於此。
FAST之前，世界上最大的射電天線鍋，一個是德國100米直徑的「艾菲爾斯伯格」，一個是美國300米直徑的「阿雷西博」。前者是可以移動搖頭的，後者藉助波多黎各島上的喀斯特窪坑，跟FAST相似。
造更大的望遠鏡非常困難。天線鍋要求毫米級的精度，在平地上建百米以上的天線鍋，自重就會造成形變，一陣風也會讓它變形。有天文學家提出了思路：在喀斯特地形下常見的「天坑」裡造。
最圓深坑
1994年底，北京天文臺（現國家天文臺）牽頭20所院校，提出了「喀斯特工程」。準備從中國西南無數個喀斯特地貌的凹坑中，選出一個來建大望遠鏡。
看過遙感圖，大家確定了300個候選的圓坑，經過走訪又篩選出80個最圓的。貴州省黔南州平塘縣克度鎮金科村的一個圓形窪地——大窩凼，成為最有力的競爭者。「凼」，音蕩，水坑的意思。
「當時到這裡來勘測，明顯感覺比其他的凼更圓一點。」南仁東說，他下踏了百個天坑，大窩凼最合適。
選一個形狀最圓、深度和尺寸恰好的窪坑，可以減少「磨圓」所需的土石方工程量。在現場，南仁東指著坑底說：「綠色的地面是沒有開挖過的，黃色的是動過土的。」我們目測這兩部分面積是一比一。
水在石灰巖上削出幾百米直徑的「凼」。凼的底部都會有一個至少浴缸大小的水窪，這是積水向下滲透的地方。天文學家們考慮到，喀斯特地質下，積水可以從坑底滲漏出去，不至於於積和危害天線。不過FAST的天坑裡，還是開掘了一條通到「隔壁」坑裡的排水道。
指著建在山腰上的六座鋼架（它們將來要拉吊起信號接收器），南仁東說，如果不依託天坑，這些鋼架就得從平地而起，不光造價承擔不起，也無法達到精度要求。
在天坑中建築，很麻煩的一點是空間騰挪不開。為此施工人員想了很多辦法，用人工補機器的不足，採取一系列新工藝，得以把幾十座鋼梁和幾十段框架，一點點搬運到恰當的位置。
毫米精度
FAST的設計目標，是把覆蓋30個足球場的信號，聚集在藥片大小的空間裡。不如此，就無法監聽到宇宙中微弱的射電信號。500米的結構，要實現毫米級精度，是天文學家從未做過的。
光確保鋼結構不變形就是一大挑戰。熱脹冷縮效應無法忽視。南仁東指著鋼架與邊框相接處說，到了夏天，邊框會比冬天外移30釐米。1.6公裡長的巨大邊框並不固定，而是「擱」在鋼架上，它與鋼架的接觸面是一層平滑材料。這樣即使邊框脹縮，鋼架也不會歪斜。
FAST的天線鍋呈現標準的球形，在工作時它會變形，在適當的位置形成一個300米直徑的拋物面（只有拋物面才能聚焦信號，球面和拋物面差距最小，可以最方便地在局部形成拋物面）。FAST靠變形來轉換天線方向。
就像水手扯動纜繩控制帆的朝向一樣，FAST拉扯索網來變形天線鍋。FAST的鋼索網，聯繫著邊框以及2000多個天坑地表面上的小電機。這些電機配合動作，控制著鋼索網的形狀。整個變形過程，由雷射定位系統校準。
而在索網的上空，高高懸著一個類似於神舟飛船大小的饋源艙（信號接收單元），內設世界最精貴的接收器。這個接收單元內部，也有一個有六條伸縮腿的變形框架，負責把接收器放置在焦點上。30噸重的饋源艙，被六條400多米的鋼索吊起，移動範圍達200米，再求精度，談何容易。
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。
比起目前領先的「艾菲爾斯伯格」望遠鏡，FAST的靈敏度將提高10倍。這意味著，遠在百億光年外的射電信號，FAST也有可能聽到。
監聽奇蹟
FAST建成後，天文學將註定有許多突破。
首先，FAST能夠發現更多的脈衝星。脈衝星是1967年發現，因為信號規律，開始被誤認為是外星人發出的信號。現在普遍認為，脈衝星是一種高速旋轉的中子星，就像海邊的燈塔，旋轉的光柱掃過地球。但也有一些證據似乎不支持燈塔模型。
南仁東說：「現在我們偵測到的約2000顆脈衝星，全都是銀河系內的。別的星系想必也有脈衝星。所以FAST會避開銀河，對準別的星系，發現更多奇特的脈衝星，了解它是什麼東西。」
南仁東說：「我們很可能會發現一些前所未見的脈衝星現象，比如說一個脈衝星和一個黑洞結對，那麼就可能產生突破性的理論。」FAST期望第一年就找到幾十顆銀河外的脈衝星。
FAST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫雲團的運動。所謂中性氫，就是宇宙中未聚攏成恆星發光發熱的氫原子，是一個質子加一個電子。本來從遠處是看不到氫原子的，但質子和電子就像旋轉的星球一樣有磁極。如果電子磁極罕見地倒轉了，一種波長為21釐米的微弱電磁波就跑了出來。
監測21釐米波，不僅能判斷出哪裡存在大量的中性氫，還能通過波長微小變化，判斷出這些氫原子在遠離還是靠近我們。
由此，FAST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麼運動的，從而為宇宙發育史提供線索。類似的道理，FAST還能監聽到一些太空有機分子發出的獨特電磁波，讓我們更精確地描繪出宇宙圖景。
如果幸運，FAST還將嘗試接收外星文明的電波。如果一二十年後，外星人有意無意釋放的信號被地球收到，那肯定是FAST的功勞。
絕對安靜
在中國有人煙的地區，大窩凼附近算是電波稀少的了。我們路過附近的另一個凼——鑽過幾百米的漆黑山洞，突現一座世外桃源。天坑底部種著蔬菜和莊稼，幾棟木房子，狗吠雞鳴之外，萬籟無音，令人心曠神怡。這裡不通電線，最近一個鄉鎮在5公裡外。
射電望遠鏡正需要這麼一處靜土。貴州省政府2013年出臺法令，在FAST周圍設立一個5公裡無線電靜默區，30公裡內不允許有幹擾設施。附近的農民將為此搬遷。
在距離FAST項目8公裡的地方，散布有大小12個天坑組成的世界上最大的天坑群，其深度均超過300米以上，被稱為「天坑博物館」。貴州政府期望結合天坑和天文景觀，「打造國際天坑天文旅遊目的地」。
而科學家們希望減少周邊人類活動，避免電波風險。最靈敏的天線相當於最嬌弱的耳膜，輕聲耳語對它無異於大喊。南仁東說：「月亮上打手機，FAST也能聽得一清二楚。」
不要說用手機，就算是附近使用電器，或者幾十公裡外有飛機向地面發送信息，在FAST那裡會造成一場電磁風暴。
因此，未來在FAST現場工作的科學家控制使用電器。FAST的監聽中心設在兩道山以外。FAST獲取的信號通過光纖傳輸到監聽中心，再傳送到外界，全程不能用無線裝置。
南仁東說，如果說FAST還有讓人不放心之處，就是今後附近能否保持絕對電波靜默。
中國製造
2015年，FAST將進入反射面拼裝階段。科技日報記者在現場看到了三角形的面板，鋁合金制，邊長11米，4000多塊這種面板最終將拼出FAST天線鍋。面板密布孔洞。南仁東說，一是為了風負載小一點，二是達到50％的透光率，讓天線面下能長草，避免水土流失。
FAST的設計和建造，體現了中國人領先於世界的工程能力。光是把33米長、70噸重的鋼框部件一塊塊從沿海運送到山區，在狹小的坑裡吊起、拼合，就足夠令人讚嘆了。負責施工的江蘇滬寧鋼機股份有限公司創新了很多工藝，包括吊裝技術，在世界上頭一個完成了這類工程。
FAST是人類用極端手段探索遙遠的星空，因而在建設中使用了大量非標準的工業模塊，這就需要科研人員和各領域的製造廠商密切協作，強力攻關，並研發新技術。
以鋼索為例。FAST的鋼索網很重，拉扯又頻繁，因此需要超高的耐疲勞強度。我們一般所用的鋼索，包括斜拉橋上的鋼索，其強度都是200兆帕、200萬次彎曲的，但FAST的鋼索上需要裝上反射面板，需要經常調換角度，不斷拉伸，再加上FAST至少需要應用30年，所以設計人員提出了安裝強度為500兆帕、200萬彎曲次數的鋼索。FAST工程團隊和柳州歐維姆機械股份有限公司等單位合力攻關。
FAST工程研究人員歷經了無數次的失敗。比如，當他們試驗到350兆帕的時候，僅彎曲6萬次就失敗了；他們如果做一次200萬次的彎曲試驗，就需要10天。經過工程團隊的不懈努力，柳州歐維姆機械股份有限公司終於研發出了符合要求的新的鋼索材料、包裹材料和製造工藝，滿足了FAST的要求。同時他們也申請了12項專利。如果這種鋼索使用到斜拉橋上，將大大提高橋梁的質量和壽命。
望遠鏡的饋源艙是在天線鍋中心的正上方吊起來的，由鍋外6個支撐塔通過鋼索共同拽住。饋源艙需向外傳輸的信號，都需藉助支撐塔上的光纜輸出，不能使用無線通訊。因為饋源艙需要不斷地調整位置，拽著它的鋼索就需要不斷地拉伸，附著其上的信號光纜也隨著不斷拉伸。FAST工程團隊設計了一種「窗簾式」的機構，信號線和電源線耷在鋼索上，可隨鋼索一同拉伸。這不僅要求它們要能夠抗彎曲疲勞，而且還需要信號線內的光纖在拉伸中不致信號衰減。
國內以前對光纖彎曲的要求一般幾十次就可以了。而FAST工程要求光纖5年抗彎曲疲勞6.6萬次。
FAST工程團隊與北京郵電大學、武漢烽火通訊公司、北京康寧光纜公司等合作攻關，研發了4年，終於製造出了突破10萬次彎曲疲勞壽命的48芯動光纜，同時讓信號衰減達到最低，達到了FAST的要求，同時刷新了世界紀錄。
大科學工程就是通過這些苛刻條件的提出與實現，推動著國內高新技術產業的技術升級。
預計兩年後，FAST獲得的信號，將通過這條光纜傳輸到外界。每天會有海量的數據在貴州、北京和全世界的計算機中分析。FAST好比一把更密的篩網，能撈出宇宙中更多的漂流瓶。中國的工程專家是實現這一奇蹟的功臣。
(來源:科技日報)