撰文|姜鵬 中科院國(guó)家天文臺(tái)研究員、FAST總工程師

千百年來(lái)，人類都是通過(guò)可見光去觀測(cè)宇宙和天體，通過(guò)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，人們發(fā)現(xiàn)了銀河系，了解到月球表面并不光滑等等。

哈勃望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)使人類對(duì)宇宙的觀測(cè)更加深入，之前認(rèn)為是荒蕪的地方發(fā)現(xiàn)了很多星系。這時(shí)，人類才反應(yīng)過(guò)來(lái)，原來(lái)宇宙是由不同的星系組成的。

通過(guò)對(duì)宇宙的觀測(cè)，人類了解到宇宙是在不斷膨脹的，這引發(fā)暗能量存在的假設(shè)，這一系列輝煌的成就都是因?yàn)楣鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡的存在。

用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)宇宙，有幾個(gè)比較巧的現(xiàn)象。一是人類的傳感器“眼睛”剛好在可見光波段具有感知能力；二是太陽(yáng)這類恒量天體在可見光波段發(fā)出的能量比較強(qiáng)；三是厚厚的大氣層在這個(gè)波段是透明的。

所以我們好像是理所應(yīng)當(dāng)?shù)膽?yīng)該用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)，但其實(shí)厚厚的大氣層還隱藏著另外的波段：無(wú)線電窗口，但人類不具備這個(gè)波段的感知能力，這一波段主要靠射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)。

偶然的機(jī)會(huì)人類發(fā)明了射電望遠(yuǎn)鏡

既然人類不具備這個(gè)波段的感知能力，那么人類是如何發(fā)現(xiàn)這個(gè)波段的呢？比較有意思，Karl Jansky既不是天文學(xué)家也不是天文愛(ài)好者，卻在偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)了這一波段。

當(dāng)時(shí)有線電話剛剛開始推廣，經(jīng)常會(huì)受到信號(hào)干擾，于是貝爾實(shí)驗(yàn)室就委托他去查明原因。

Karl Jansky建造了一臺(tái)天線，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，他發(fā)現(xiàn)干擾來(lái)源是雷暴天氣，同時(shí)他又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常穩(wěn)定但又比較弱的干擾信號(hào)，24小時(shí)一個(gè)周期，每天到達(dá)的時(shí)間都非常固定：比前一天提前4分鐘。

經(jīng)過(guò)一年的觀測(cè)，他猜測(cè)這個(gè)信號(hào)源自銀河系中心，他把這些研究成果整理發(fā)表在了美國(guó)的一本無(wú)線電工程學(xué)報(bào)上面，這本來(lái)是一個(gè)領(lǐng)域的開篇之作，卻就這樣發(fā)表了，從這里也能看出，Karl Jansky是一個(gè)對(duì)天文沒(méi)多少興趣的人。

后來(lái)，另一位雷達(dá)工程師雷柏，在大學(xué)的時(shí)候看到了Karl Jansky的研究成果，認(rèn)為非常有意思，便自掏腰包在家里后花園設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)真正意義上的射電望遠(yuǎn)鏡，用現(xiàn)在的眼光去看，這臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡堪稱完美，今天所有的射電望遠(yuǎn)鏡都沒(méi)脫離這個(gè)框架。

通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)，雷柏印證了Karl Jansky的研究結(jié)論，這個(gè)干擾信號(hào)確實(shí)來(lái)自于銀河系中心，不過(guò)大家并沒(méi)有忘記Karl Jansky的貢獻(xiàn)，還是尊他為射電天文學(xué)的鼻祖。

綜合口徑技術(shù)讓射電望遠(yuǎn)鏡“如虎添翼”

射電天文學(xué)剛出現(xiàn)的時(shí)候，并沒(méi)有得到大家的關(guān)注，其核心的原因是，它在分辨率上天生有缺陷。

衡量一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的好壞主要有兩個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是靈敏度，一個(gè)是分辨率。直到M.Ryle發(fā)明了綜合口徑的技術(shù)，其基本原理是：用相隔兩地的兩架射電望遠(yuǎn)鏡接收同一天體的無(wú)線電波，兩束波進(jìn)行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當(dāng)于兩地之間距離的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)榇隧?xiàng)發(fā)明，他獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自此，射電望遠(yuǎn)鏡的分辨能力得到大大提高，分辨率甚至比光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還要高，今年首張黑洞照片問(wèn)世，背后所利用的技術(shù)就是綜合口徑技術(shù)。

自此，射電天文就得到蓬勃發(fā)展。1957年，英國(guó)人已經(jīng)把望遠(yuǎn)鏡口徑做到76米，1961年，人類在南半球建造了第一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，迄今發(fā)現(xiàn)的近三千顆脈沖星中，一半都是這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。2000年，美國(guó)建造了口徑為100米的望遠(yuǎn)鏡。

從雷柏創(chuàng)建的第一臺(tái)直到現(xiàn)在，射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷史其實(shí)就是人類追尋靈敏度的歷史。口徑越大，觀測(cè)的靈敏度就越高。只有這樣，人類才能觀測(cè)到更遙遠(yuǎn)的宇宙星系，有助于科學(xué)家分析宇宙的演化歷史。

但自從1972年德國(guó)人把口徑做到100米以后，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑便停滯不前，這也表明，在材料的制作工藝沒(méi)有得到跳躍式發(fā)展前，很難突破百米口徑。

難道百米口徑是個(gè)極限嗎？我們真的無(wú)法突破這個(gè)極限嗎？1962年，美國(guó)的大耳朵望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了嘗試，但并未成功。

怎么才能建造更大的射電望遠(yuǎn)鏡

在機(jī)緣巧合下，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了建設(shè)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（以下簡(jiǎn)稱為FAST）的理論基礎(chǔ)：拋物面與球面的機(jī)緣巧合。拋物面的結(jié)構(gòu)特性能把平行光匯聚到一個(gè)點(diǎn)上，所以傳統(tǒng)的射電望遠(yuǎn)鏡都做成拋物面，那么球面和拋物面大概有多大的區(qū)別呢？之前人們并沒(méi)有思考過(guò)這個(gè)問(wèn)題，上個(gè)世紀(jì)90年代，中國(guó)的科學(xué)家就計(jì)算了下，一個(gè)300米的拋面，只要選擇合適的焦比，它的球面和拋物面的偏離距離只有0.47米，這0.47米就是FAST的基石，如果這個(gè)距離是4.7米或47米，就不會(huì)有FAST了。

有了這個(gè)發(fā)現(xiàn)之后，一個(gè)概念就應(yīng)運(yùn)而生：我們先建一個(gè)基準(zhǔn)球面，半徑是300米，口徑是500米，然后在表面放上微小的驅(qū)動(dòng)裝置，只需要微微的改變反射面的形狀（0.47米），就可以形成一個(gè)拋面，就可以把平行光匯聚到一個(gè)點(diǎn)上了。

然后將接收機(jī)以正確的姿態(tài)放到焦點(diǎn)的位置上來(lái)接收信號(hào)就可以了，這就是FAST的基本原理，并沒(méi)有想象中的復(fù)雜，但要想把這個(gè)望遠(yuǎn)鏡成為現(xiàn)實(shí)的話，至少有三件事情要做。

建設(shè)FAST，需要做好三件事

第一：要找個(gè)合適的“眼窩”：臺(tái)址。如果是平地挖出這么大個(gè)坑的話，可能就需要幾十億人民幣，遠(yuǎn)比建一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡花費(fèi)十幾億人民幣還要多，所以一個(gè)天然的洼地是必不可少的；

要有一個(gè)優(yōu)良的電磁波環(huán)境，人要非常少，人并非是干擾源，但是人們?nèi)粘Ｉ钏玫碾娖魇謾C(jī)等，是電磁波干擾的主要來(lái)源；另外，排水要好，不能有積水，一旦積水的話，望遠(yuǎn)鏡的電子設(shè)備使用壽命會(huì)受到影響；最后，基礎(chǔ)要足夠穩(wěn)，不能有沉降，這是建設(shè)大型精密設(shè)備非常必要的條件。

第二：主動(dòng)反射面方案的取舍。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，大家建議能不能采用柔性索網(wǎng)的方法來(lái)進(jìn)行建設(shè)，這樣通過(guò)改變形狀就能完成球面與拋物面的轉(zhuǎn)換。但是索網(wǎng)是掛在周圍的山體上，還是單獨(dú)建一個(gè)環(huán)梁結(jié)構(gòu)？是采用三角形劃分網(wǎng)格還是采用四邊形來(lái)劃分？控制鎖是采用一根還是三根？這些都是我們需要思考的問(wèn)題。

現(xiàn)在大家去看FAST，可能會(huì)覺(jué)得FAST就應(yīng)該這么建設(shè)，但是在建設(shè)之初，這里面經(jīng)過(guò)很多很多的變化，都是經(jīng)過(guò)大量設(shè)計(jì)、演算才得出來(lái)的，有很多的奇思妙想不為人知。

第三：如何實(shí)現(xiàn)饋源的高精度定位。如何對(duì)接收機(jī)進(jìn)行高精度的定位，這是建設(shè)初期必須要解決的問(wèn)題?？茖W(xué)家用6根鋼索連接著饋源艙，通過(guò)鋼索來(lái)控制饋源艙的位置，要實(shí)現(xiàn)什么樣的精度呢？一個(gè)30噸的饋源艙，通過(guò)6根鋼索，在140米的高空，在206米的尺度范圍內(nèi)，控制在10毫米以內(nèi)。

我是做工程出身的，一開始我認(rèn)為這根本不可能實(shí)現(xiàn)，但科學(xué)家太聰明了，通過(guò)在艙內(nèi)加入一個(gè)AB轉(zhuǎn)臺(tái)，Stewart平臺(tái)就非常巧妙地實(shí)現(xiàn)了饋源艙的精準(zhǔn)控制。

到這時(shí)，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡的原理模型已漸漸清晰了，同時(shí)為了驗(yàn)證方案的可行性，我們做了大量的實(shí)驗(yàn)。

困難重重的建設(shè)階段

在500米的跨度上，很多平時(shí)注意不到的問(wèn)題都會(huì)變成大問(wèn)題。比如，溫度變化1度，就會(huì)帶來(lái)6毫米的變形，如果建設(shè)時(shí)把圈梁和柱子設(shè)計(jì)成一體的話，溫度變化時(shí)，就會(huì)帶來(lái)很大的變形。

因此要設(shè)置一個(gè)自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，來(lái)解決熱脹冷縮帶來(lái)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們?cè)O(shè)計(jì)了滑移支座方案，解決了這個(gè)問(wèn)題。

在解決所有問(wèn)題后，2011年3月份，F(xiàn)AST開工建設(shè)了。

雖然臺(tái)址并不算大，但也涉及到方方面面的工程，如道路工程、隧道工程等。

索疲勞問(wèn)題：差點(diǎn)讓FAST毀于一旦

這么大的工程，肯定有我們一開始沒(méi)有想到的問(wèn)題，其中的一個(gè)比較致命的就是索疲勞的問(wèn)題。索疲勞的問(wèn)題是什么呢？在結(jié)構(gòu)里，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是一個(gè)變形的載體，它需要在球面和拋面面間進(jìn)行變形，它對(duì)疲勞的性能要求很高。

當(dāng)時(shí)我們進(jìn)行了疲勞評(píng)估，預(yù)測(cè)未來(lái)30年FAST的觀測(cè)軌跡，可以得到每一根索在未來(lái)30年的疲勞次數(shù)，進(jìn)而通過(guò)各種算法，得到的評(píng)估結(jié)果為：500MPa應(yīng)力幅、200萬(wàn)次循環(huán)加載。

這是從未實(shí)現(xiàn)過(guò)的疲勞性能！

一開始我們也不知道這樣的評(píng)估條件是什么樣的標(biāo)準(zhǔn)，我們從市面上知名廠家買來(lái)十根鋼索，一進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)卻傻眼了，均失敗了。

這件事也很快地在天文圈傳開了，很多人都說(shuō)FAST要完了，因?yàn)檫@是材料工藝出了問(wèn)題，并不是設(shè)計(jì)出了問(wèn)題。如果設(shè)計(jì)有問(wèn)題，我們可以重新設(shè)計(jì)，但材料工藝出問(wèn)題卻很難解決。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們進(jìn)行了最大規(guī)模的疲勞實(shí)驗(yàn)：超高疲勞性能鋼索的研制，經(jīng)過(guò)兩年艱苦的研發(fā)工作，最終攻克了FAST的核心技術(shù)，我們?nèi)轿坏馗淖兞虽撍鞯闹圃旃に?，包括扭制工藝、涂層工藝等，最終研制出適合FAST的鋼索，這是FAST能往下繼續(xù)推進(jìn)的一個(gè)非常重要的關(guān)鍵點(diǎn)，如果這個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解決，大家也就不會(huì)看到今天的FAST。

超高精度的制造要求

FAST的每根鋼索制造要求誤差在1毫米，近萬(wàn)根鋼索編織的索網(wǎng)，如果每根誤差幾毫米的話，所有的誤差加起來(lái)就會(huì)很大。

如何能做到這樣的精度控制呢？這也是我一直思考的問(wèn)題，傳統(tǒng)的鋼索誤差為15毫米左右，而FAST要求在1毫米，為了達(dá)到這個(gè)精度，很多問(wèn)題都需要我們考慮。

比如說(shuō)溫度的影響，我們?cè)谲囬g里建一個(gè)恒溫室，材料都要提前24小時(shí)運(yùn)進(jìn)恒溫室，所有的鋼索都在恒溫室進(jìn)行加工；所有的配合都采用無(wú)間隙的過(guò)盈配合，什么叫過(guò)盈配合？就是軸比孔還要大一些，采用液壓千斤頂擠進(jìn)去，來(lái)消除間隙；所有的加工都采用帶載調(diào)節(jié)，比如說(shuō)鋼索在受力100噸時(shí)為11米，那么我們?cè)诩庸さ臅r(shí)候就要受力100噸，把長(zhǎng)度控制在11米，同時(shí)誤差不超1毫米。

FAST究竟有多大？

就這樣，凝結(jié)了幾千名一線工人汗水和科學(xué)家的智慧，歷時(shí)五年半的FAST工程終于建設(shè)成功了。

那么FAST究竟有多大呢？這是我經(jīng)常被問(wèn)的一個(gè)問(wèn)題。一群充滿好奇心的同事曾算了一下，如果把FAST想象成一口鍋，裝滿水，全世界75億人，每人能分四瓶礦泉水。

FAST建成之后僅僅是開始：極具挑戰(zhàn)的調(diào)試工作

因?yàn)閺?qiáng)交叉學(xué)科的特點(diǎn)：天文、力學(xué)、機(jī)械、測(cè)繪、計(jì)算機(jī)、電子學(xué)、結(jié)構(gòu)工程等，國(guó)際上傳統(tǒng)大型望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試周期都不少于四年，對(duì)于FAST來(lái)講，調(diào)試過(guò)程就更復(fù)雜了。

如何解決反射面的安全問(wèn)題呢？重30噸的饋源艙在140米高空上，如何保障安全問(wèn)題？我們建造了一個(gè)計(jì)算機(jī)模型，在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)模擬FAST，F(xiàn)AST如何運(yùn)作，在計(jì)算機(jī)上就如何模擬，運(yùn)用實(shí)時(shí)力學(xué)仿真技術(shù)，就大幅度地提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。

毫無(wú)爭(zhēng)議FAST成為世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡

有了各種測(cè)量手段的支持、控制技術(shù)的支持，毫無(wú)疑問(wèn)，F(xiàn)AST成為世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。它的靈敏度比設(shè)計(jì)指標(biāo)高出30%，達(dá)到2600平方米每K。眾所周知，靈敏度是和接收面積成正比，F(xiàn)AST的靈敏度是世界上第二大望遠(yuǎn)鏡靈敏度的3倍，而接收面積卻只有它的1.9倍。

全部指標(biāo)一次性測(cè)試通過(guò)

包括指向精度、靈敏度、太空覆蓋、分辨率等在內(nèi)的16項(xiàng)指標(biāo)一次性測(cè)試通過(guò)，其中指向精度和靈敏度這兩項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

有了階段性的科學(xué)成果

FAST到現(xiàn)在一共發(fā)現(xiàn)了134顆脈沖星優(yōu)質(zhì)候選體，認(rèn)證了93顆脈沖星，因在靈敏度上的優(yōu)勢(shì)，在單脈沖觀測(cè)方面，F(xiàn)AST打開了一扇新的大門，首期科學(xué)成果已在《Science China》上形成了一個(gè)?？?。

目前FAST已經(jīng)對(duì)外開放了，2019年4月份，F(xiàn)AST通過(guò)工業(yè)驗(yàn)收，標(biāo)志著FAST使用指標(biāo)達(dá)到了國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。

親身參與這個(gè)工程，并一步步見證它走向成功，我很自豪是這一偉大工程的參與者和見證者，也期待它在未來(lái)創(chuàng)造更多的奇跡。