天坑「巨眼」：傾聽宇宙深處的聲音

【摘要】 2016年7月3日，直徑500米、迄今全球最大的「鍋蓋」在貴州喀斯特天坑中架設完成。彭勃說，大射電望遠鏡的索網結構可以隨著天體的移動變化，帶動索網上的4450個反射單元，在射電電源方向形成300米口徑瞬時拋物面，極大提升觀測效率。

2016年7月3日，直徑500米、迄今全球最大的「鍋蓋」在貴州喀斯特天坑中架設完成。它就是500米口徑球面射電望遠鏡，世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠鏡。它是「天眼」，用來傾聽宇宙深處聲音、觀測宇宙奧秘。從老式電視上的雪花點說起老式電視收不到信號時，屏幕上會閃爍著密密麻麻的雪花點。這些雪花點就是電磁波信號，其中也包括來自太空的射電輻射。1933年，美國貝爾實驗室的科學家用一台靈敏度很高的接收機意外發現了來自銀河中心穩定的射電輻射，從此開啟射電天文學的大門。還記得「鍋蓋天線」嗎？用過「鍋蓋天線」的人知道，鍋蓋口徑越大，電視畫面越清晰。對於射電望遠鏡來說，口徑越大看得越遠。全世界的射電天文學家都追求建造更大口徑的「鍋蓋」，以提高射電望遠鏡靈敏度。中國科學院國家天文台研究員、500米口徑球面射電望遠鏡工程副經理彭勃說，射電望遠鏡在設計建造之初遇到經費緊張，但不管減什麼科學家們都不願縮小望遠鏡的口徑。此前，世界上最靈敏的射電望遠鏡，是德國波恩100米望遠鏡和美國阿雷西博300米望遠鏡。前者可以移動「搖頭」，後者藉助波多黎各島上的喀斯特窪坑建造。1993年國際無線電聯大會上，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，渴望在電波環境徹底毀壞前，回溯原初宇宙，解答天文學中的眾多難題。1995年底，北京天文台聯合國內20餘所大學和研究所，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窪地建造球反射面，即「阿雷西博型天線陣」的喀斯特工程概念。此後，中國科學家們進一步推進喀斯特概念，提出獨立研製一台新型的喀斯特單元，即500米口徑球面射電望遠鏡。為了給新一代射電「大望遠鏡」安家，科學家們通過衛星遙感把貴州喀斯特山區翻了個遍。彭勃回憶說，當時天文台委託兩家院所進行獨立搜尋，從300多個候選窪坑中遴選。結果，位於黔南州平塘縣的大窩凼兩次都獲最高分。很大，但不只是大一圈無論是置身大射電望遠鏡邊上，爬上附近山頂的觀景台，還是通過虛擬現實視頻，你都能直觀感受它的第一特點——大。科學家們形容它是一座「觀天巨眼」。工程總工藝師王啟明說，僅圈樑、索網和支撐饋源艙的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，相當於30個標準足球場那麼大。儘管反射面板才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，可實現毫米級指向跟蹤，確保精確地聚集和監聽宇宙中微弱的射電信號。大射電望遠鏡的建造工藝也是精益求精。王啟明說，由於嚴苛要求，這個大科學工程推動了多領域裝備製造能力的提升。彭勃說，大射電望遠鏡的索網結構可以隨著天體的移動變化，帶動索網上的4450個反射單元，在射電電源方向形成300米口徑瞬時拋物面，極大提升觀測效率。阿雷西博望遠鏡是固定望遠鏡，只能通過改變天線饋源的位置掃描天空中的一個約20度的帶狀區域。而主動反射面讓中國大射電望遠鏡擁有更廣的觀測範圍，能覆蓋40度的天頂角。大射電望遠鏡的工作頻率比較廣。中國科學院國家天文台副台長鄭曉年說，100米口徑的德國波恩望遠鏡曾號稱「地面最大的機器」，中國大射電望遠鏡與它相比，靈敏度提高約10倍。300米口徑的美國阿雷西博望遠鏡，50多年一直無人超越，中國大射電望遠鏡跟它相比，綜合性能提高約10倍。至少未來20年保持世界一流「跟其他射電望遠鏡一樣，中國大射電望遠鏡最主要的兩大科學目標是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈衝星，前者是研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化，後者是研究極端狀態下的物質結構與物理規律。」鄭曉年說。地球大氣層留給人類探索宇宙兩個窗口，一個是光學，一個是射電。對天文學家來說，如果光學望遠鏡是顯微鏡，那麼射電望遠鏡就是CT機，可以獲得天體的超精細結構。「從射電望遠鏡誕生至今，人類共發現了約2500顆脈衝星，如果中國大射電望遠鏡的工作時間全部用於觀測脈衝星，它一年時間內就有望將這個數量翻倍。」彭勃說。大射電望遠鏡還有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。「針對大眾十分關心的大射電望遠鏡能否用於尋找地外文明，答案是肯定的。」彭勃表示，它是探測系外行星尤其是類地行星的利器。由於靈敏度提高，它能看到更遠、更暗弱的天體，通過探測星際分子、搜索可能的星際通訊信號，尋找地外文明的幾率比現有設備提升了5至10倍。在7月3日饋源艙升艙和反射面板按計劃完成安裝後，大射電望遠鏡將進行2個多月的系統調試，於9月底正式竣工投入使用。但要實現所有功能參數最優化，它還要在兩三年的觀測中不斷調試完善。「大射電望遠鏡建成後將成為中國天文學研究的『利器』，在未來10至20年保持世界一流設備的地位。」鄭曉年說，「希望中國科學家儘快利用它出成果。」本報綜合新華社報道

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