探索宇宙奧祕的國之重器

    我國500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），被稱為「中國天眼」。它是「十一五」國家重大科技基礎設施建設項目，採用我國科學家獨創的設計和貴州南部喀斯特窪地穩定而獨特的地形條件建設的高靈敏度的巨型射電望遠鏡，2016年9月落成啟用后遙望宇宙。

    「中國天眼」與號稱「地面最大的機器」的德國波恩100米口徑射電望遠鏡相比，靈敏度提高約10倍；與被評為人類20世紀十大工程之首的美國阿雷西博（Arecibo）300米口徑射電望遠鏡相比，綜合性能提高約10倍。作為目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡，「中國天眼」將在未來二三十年保持世界一流設備的地位。

    「中國天眼」五大科技創新

    「中國天眼」自2011年3月開工建設，其科技創新的腳步從未停止。在建設階段，獲得了鋼結構、自動化產業、機械工業、測繪地理信息技術、電磁兼容研發等10余個領域的國家大獎。「中國天眼」藉助50根鋼柱、670條鋼索和2225根下拉索，建起一張世界上跨度最大、精確度最高的蜘蛛網，上面覆蓋了4450面反射鏡（總面積25萬平方米，相當於30個標準足球場），配合頂部的接收機共同活動，它能有效觀測太空中不同區域的電磁波信號。這就是「中國天眼」的觀測敏感度和數據接收能力比其他國家的同類產品更為強大的原因。

    1.創建了超大型射電望遠鏡的新系統，即主動反射面、饋源支撐等系統，實現了500米的口徑反射面主動變位和饋源艙高精度定位，是射電望遠鏡建造技術的重大突破。

    2.採用了適應山區複雜地形的圈樑支承形式，發明了索網形態分析的目標位形初應變補償法，研究了主動變位的索網疲勞性能，實現了大尺度、超高精度及主動變位等創新性結構設計。

    3.研製了500兆帕超高應力幅及毫米級精度的結構鋼索，發明了多種大跨度、高精度施工法，突破了現場極其苛刻的複雜場地限制，實現了建設完成跨度極大、精度極高的望遠鏡主體結構。

    4.發明了大尺度、高精度、高動態測量控制與安全評估技術，實現了提供反射面高精度位置信息和全天候、高精度、大尺度高採樣率的饋源支撐動態測量。

    5.採用了全過程工程諮詢模式，開創了「十字形」交叉管理系統和「五維一體」的項目管理方式，實現了節能、綠色、環保等管理體系的有機融合。

    為提升「中國天眼」運行維護質效，2019年底又啟動了國家重點研發計劃「智能機器人」重點專項「重大科學基礎設施FAST運行維護作業機器人系統」項目，解決了「中國天眼」運行維護中存在的高危作業風險隱患、人工維護效率較低、氣候條件制約觀測等問題，於2023年7月26日通過現場驗收。

    為探索宇宙奧祕做出中國貢獻

    「中國天眼」是我國在科學前沿實現的重大原創突破，極大地拓展了人類觀天極限。發現新脈衝星數量達800余顆，是國際上同一時期所有其他望遠鏡發現脈衝星總數的3倍以上；首次在射電波段觀測到黑洞「脈搏」，有望打開黑洞射電觀測和理論研究的新思路；發現迄今軌道周期最短脈衝星雙星系統，從觀測上證實了蜘蛛類脈衝星的演化理論……

    快速射電暴（FRB）是宇宙中最明亮的射電爆發現象，在1毫秒的時間內能釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。快速射電暴自2007年首次被確定存在以來，迅速成為天文學最新研究熱點之一。得益於「中國天眼」的超高觀測敏感度，我國科學家領導的科研團隊發現了首例持續活躍重複快速射電暴，又對位於銀河系外的快速射電暴進行了長期監測，取得了若干重要發現，對於早日揭示這一神祕宇宙現象的物理起源具有重要意義。

    「中國天眼」的觀測敏感度讓中國天文學家站在了人類視野的最前沿。美國、歐洲、澳大利亞的科研團隊均已開展了約20年的納赫茲引力波搜尋。國家天文臺研究員李柯伽所在的中國脈衝星測時陣列（CPTA）研究團隊，利用「中國天眼」探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據，為理解超大質量黑洞、星系併合歷史和宇宙大尺度結構形成等重要問題提供幫助。憑藉「中國天眼」的優良性能，CPTA研究團隊以數據精度、脈衝星數量和數據處理算法上的優勢，彌補了觀測時長的差距，使我國納赫茲引力波探測和研究同步達到世界領先水平。

    為研究宇宙中天體起源打開新的窗口

    「中國天眼」自建成后，在快速射電暴起源與物理機制、中性氫宇宙研究、脈衝星搜尋與物理研究、脈衝星測時與低頻引力波探測等方向持續產出成果。近期宇宙中最大原子氣體結構的新發現，就是由中國科學家通過「中國天眼」觀測到的，相關成果已在學術期刊《自然》上發表。「中國天眼」能夠探測到遠離星系中心的極其稀薄的彌散原子氣體所發出的闇弱輻射，這為研究宇宙中天體的起源打開了一個嶄新的窗口。

    「中國天眼」作為一個多學科基礎研究平臺，有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，觀測暗物質和暗能量，尋找第一代天體。能研究極端狀態下的物質結構與物理規律；有希望發現奇異星和夸克星物質；發現中子星——黑洞雙星，無需依賴模型精確測定黑洞質量；通過精確測定脈衝星到達時間來檢測引力波；用於搜尋識別可能的星際通訊信號，尋找地外文明等等。

    「中國天眼」對脈衝星到達時間測量精度，由120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈衝星計時陣，為自主導航這一前瞻性研究製作脈衝星鍾。可進行高分辨率微波巡視，以1赫茲（Hz）的分辨率診斷識別微弱的空間訊號。作為「子午工程」的非相干散射雷達接收系統，提供高分辨率和高效率的地面觀測；跟蹤探測日冕物質拋射事件，服務於太空天氣預報。 （廈門市老科協 供稿）

    【名詞】

    與光學反射望遠鏡接受宇宙光波不同，射電望遠鏡接受的是宇宙的射電輻射。射電望遠鏡由定向天線或天線陣、饋電線、高靈敏度接收機和記錄儀等部分組成。靈敏度是射電望遠鏡最重要指標，它是指射電望遠鏡「最低可測」的能量值。為提高靈敏度，常用的辦法有降低接收機本身的固有噪聲，增大天線接收面積，延長觀測積分時間等。射電望遠鏡對無線電環境要求極高，調頻電臺、電視、手機以及其他無線電數據的傳輸都會對觀測造成干擾。