如何給世界最大射電望遠鏡找到合適的家
導讀
世界最大單口徑射電望遠鏡（FAST）今天在貴州省平塘縣正式投入使用，這一５００米口徑的球面射電望遠鏡建設在喀斯特地貌天然形成的窪地中，被譽為「觀天巨眼」。
由於FAST的落戶，安放「觀天巨眼」的窪地也成為科學界關注的焦點，人們稱這個名叫「大窩凼」的自然窪地為「地球上最美的眼窩」。如何利用自然條件為大射電望遠鏡找到合適的「家」？
FAST正式啟用前夕，項目選址科研團隊負責人宋建波接受中國青年報·中青在線專訪，揭秘在本世紀初為大射電望遠鏡秘密選址的科研過程。
嘭！航拍的FAST長這樣——
航拍FAST
再近一點——
俯視FAST
再再再再再近一點——
近看FAST
裡面什麼樣？——
饋源艙
那塊萬眾矚目的「最後一塊」鏡片在哪？
饋源艙和最後一塊鏡片
那鏡片呢——
FAST最後一塊「鏡片」發射面單元
鏡面下面什麼樣？——
鏡片下面
最後，看看鏡片的安裝位置吧！
最後一塊鏡片的安裝位置
怎麼樣？FAST的模樣是不是在你腦海中更清晰啦？
選址從找到一萬多個「窩」開始
從2002年11月接到大射電望遠鏡台址第二輪選址科研任務開始，貴州工業大學（後併入貴州大學）教師、地質工程專業博士後宋建波面臨的第一個考驗是可供參考的資料極少。
「如果把每個可以建造望遠鏡的天然窪地比作一個『窩』，那我們的研究範圍內到底有多少『窩』，這些『窩』都在哪裡？」宋建波說，當時沒有現成的資料，可以用的技術手段又非常有限，只有上「笨辦法」：一個一個找，一個一個數。
科研團隊一頭扎進了厚厚的地形地質圖裡。從1：50萬的地形地質圖看起，岩石的分布特徵讓他們首先確定了「窩」肯定不會出現的地理位置，排除掉之後的其他區域，就可能出現適合望遠鏡「安家」的「窩」。
地質圖隨後被精確到了1：1萬，團隊成員開始在一張張茶几大小的圖上沿著密密麻麻的等高線「找圈圈」：「圈圈」越圓、越大就越有可能是要找的目標，「圈圈」旁邊螞蟻大小的數字則顯示這是一座山峰還是一個「窩」。
「發現一個『窩』拿筆記錄下一個，看了8000多幅圖，最後找出來一萬多個『窩』。」宋建波說，現在FSAT所在的「窩」就是那一萬多個中的一個，當時看圖就感覺眼前一亮，「但哪個最合適不是感覺出來的，得靠科學。」
3位帶著厚厚眼鏡的博士花了3個月用「笨辦法」找出了最基礎的研究資料，藍色的圓珠筆記錄下每個「窩」的基本情況，記錄本上同時劃滿了紅色圓珠筆的標註，有的「窩」前划了紅勾，有的打上了圈，有的直接一條橫線徹底劃掉。
2003年7月，經過數次篩選，一個由743個「窩」組成的備選窪地資料庫正式形成。緊接著，科研團隊拿著一份像選航天員一般「苛刻」的指標，評價每一個「窩」的情況——「窩」內的岩體結構、水文情況、長短軸比例、挖填方率是否合適；「窩」口的閉合情況、幾何形狀是否達標；整個「窩」的地質災害、地震風險、氣象條件、無線電環境等等是否滿足條件。
最終，743個「窩」被進一步篩選出82個成為重點考察對象，這些喀斯特窪地集中分布於貴州黔南州、黔西南州和安順市境內。團隊花了幾萬元研究經費買了一輛長城賽弗越野車，開始對這82個「窩」進行實地調查。
82個「窩」里尋找解題之道
「翻山越嶺，82個『窩』一個都不能少。」宋建波回憶說，當時貴州的交通狀況很差，有時調查一個「窩」路上要花一天，越野車順著狹窄的山間毛路前進，一邊是大山，一邊是懸崖，開到是在沒辦法前進的地方停下，再走到「窩」里。
實地調查並不是看看大山、敲敲石頭那麼簡單，除了岩體和地質結構的觀察，山體里的水系統對望遠鏡的「人身安全」意義重大，一旦「窩」底的排水系統堵塞，山體中的水將無法流入地下暗河，望遠鏡就有被淹沒的危險。科研團隊經常要找到每一處水源，沿著明河、暗河行走研究水動力的過程，這時常需要在三伏天頂著烈日走上很長時間。
調查途中遇到困難，科研團隊不敢聲張求助，在當時，這還是一項保密的科研任務。整個團隊當時抱著一個信念：哪個地址最合適要靠科學計算成果得出來，選址結果要對歷史負責。
兩個多月的實地調查後，科研團隊進入了近一年的核心攻關階段：他們計劃開發一套模擬系統，立體呈現每一個重點考察的「窩」和大射電望遠鏡結合在一起的樣子，再對建設中需要考慮的幾何、地質、工程等等條件進行綜合計算。
這套系統的學名叫做「窪地三維模擬和台址優選系統」，宋建波解釋說，通俗講就是用來計算每個窪地最合適建多大口徑的望遠鏡，如果確定要建500米口徑的FAST望遠鏡，那麼就計算哪個「窩」建設工程量最小。
「這是我們科研團隊的首創，做出來了以後給類似望遠鏡選址都能用上，選址難題就能找到解題之道。」宋建波說，系統應用起來輕巧，但開發起來難度比想像中大很多，除了地質學的知識外，還需要紮實的數學、物理、計算機功底，「有時候還需要一些靈感。」
宋建波反覆說，核心攻關的過程中「累慘了」，團隊成員都剛剛30出頭，有時吵上幾句，有時發發牢騷，通宵後睡辦公室是常事。
系統最終給出了團隊最想要的答案：計算精度高，挖方模型計算誤差僅為0.44%，填方模型計算誤差為0.66%，系統使計算效率大大提高，與此同時，系統還能計算出整個望遠鏡球心的建設位置，這將有利於施工階段減少誤差。
「大窩凼」最終浮出水面
在「窪地三維模擬和台址優選系統」的支撐下，通過專業的定性分析和定量計算，科研團隊給出了首批推薦的FAST核心備選台址，推薦中排名第一的「窩」叫做「大窩凼」，用五種方法計算出的結果均為「好」。「打多」、「砂鍋堡葫蘆沖」、「商家沖」三個「窩」分列二到四名。
計算結果同時顯示「大窩凼」最適宜建設的射電望遠鏡口徑為546米，最符合FAST500米口徑的需求。之後，科研團隊對「大窩凼」進行了更加細緻的研究和計算。
考慮到FAST接收的信息一般是來自遙遠宇宙極弱的天體無線電信號，任何輕微的電波干擾都將使FAST失去威力，同時，氣候要素也影響著FAST的結構設計和正常使用，冰雹是影響望遠鏡運行安全的主要氣象災害，在2004年2月至2005年2月，貴州省無線電管理委員會和貴州省氣象局對「大窩凼」進行了長達一年的無線電話經檢測和氣候環境監測。
2006年，FAST項目正式決定選址貴州平塘「大窩凼」。
「最終事實證明我們找到了FAST最合適的家。」宋建波感慨，大約4年的科研努力在宣布決定選址的那一刻感覺值了，「算是當時平均年齡32歲的一群年輕人創造的驚喜。」
隨著研究的深入，團隊除了進行FAST 項目的選址研究外，還把目光投向了一個簡稱為SKA的項目，這個項目計劃建設接收面積達到一平方公里射電望遠鏡陣，以觀測到更多的天文信息，以解決目前困擾科學界的眾多尖端問題。
2004年，中國科學院國家天文台對中國SKA站址進行了非常嚴格的布局要求，要求中國SKA台址的核心區儘可能包括FAST台址，已建成的新疆、北京、青海、上海、雲南5個射電望遠鏡台址必須在SKA台址的核心區的對數螺旋線（天文學專有名詞——記者注）上，同時要完成更多台址的選址，以滿足望遠鏡接收面積達到一平方公里。
面對這個同樣是「世界級」難度的選址，科研團隊在前期研究的基礎上，開發了「中國SKA台址布局可視化系統程序」，並計算出兩個方案：一種是建63個口徑相對較大的望遠鏡，一種是建126個口徑相對較小的望遠鏡。
「這意味著未來中國建造射電望遠鏡陣的『窩』也選好了。」宋建波說，FAST啟用是個重要的開始，「研究地質的人祝福研究天文的能帶來更多驚喜。」
中國青年報·中青在線記者 白皓 王景爍
中國青年報·中青在線出品
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