撰文 Dennis Normile 翻译 颜南晋 校对魏关
要让中国这架超巨型射电望远镜真正做到不负其承诺的使命，尚需再迸发一轮新颖独特的创造力。
—— Dennis Normile 于大窝凼
在中国大西南延绵参差的石灰岩崇山峻岭中，有一处撼人心魄、宏伟壮观的地势景象，工程人员们忙碌着，一座巨大的天文仪器设施的建造正步入最后的收官之战（FAST于今年9月25日举行竣工典礼，本文发表于9月30日- 编者注）：一个直径500米的天线面板盘镶嵌在自然形成的洼谷之中，将用于采集来自宇宙空间的射电信号（也称为无线电信号）。这一世界上最大的（单天线）射电望远镜将搜集和编目（射电）脉冲星，探测引力波（这里指的是，利用质量足够好且数目足够多的毫秒脉冲星来发现宇宙间的背景引力波或持续探测来自特殊固定源的引力波，与LIGO团队报告的质量相对小的双黑洞并和事件不同。目前国际上有若干家尝试多年，与理论期待不符，尚无突破 - 译者注）、暗物质和快速射电暴，并倾听来自外星文明的无线电波通讯（虽然许多中外媒体常提此事来吸引大众，但毕竟目前没有任何蛛丝马迹。若顺带做希冀意外，不妨试试，请有闲有钱之人来自己分析数据。另，FAST更不会去找所谓的UFO，即不明飞行物。如此昂贵的FAST主要用来从事天文物理科学的前沿观测探索研究- 译者注）。
窥一斑而知全豹的射电天文学（FAST作为个体固然最大，然而却是八十多年来国际射电天文学发展过程中众多射电天文望远镜里的一个。下面5张生动形象的图例展示具体地放大了FAST的若干重要技术细节，特色鲜明且通俗易懂地介绍解释了FAST的基本工作原理，希望读者们能对射电天文望远镜总体有一个大致清晰的概念 - 译者注）
图例1. 世界上最大的（单天线）射电望远镜，中国最新的500米口径球面射电望远镜（FAST），将收集寰宇中的射电信号，用于编目脉冲星，并探测引力波、暗物质和快速射电暴，以及倾听来自地外文明传送的电波信号。（图片来源：C. Bickel/Science）
然而，这一精巧杰作的设计建筑师却对于他的望远镜究竟可能捕获到什么表示厌倦乏味。“抱歉地说，我对科学其实不太感兴趣”，南仁东如是说。而他正是这500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，以下简称FAST）的首席科学家和首席工程师。同事们坚持认为南仁东是在开玩笑，但毫无疑问，的确是工程建设（而非科学研究）耗费了他一生中二十年的精力，也正是该工程建设令其他天文学家惊叹佩服。佛吉尼亚州夏洛茨维尔的美国国家射电天文台（U.S. National Radio Astronomy Observatory，以下简称NRAO）前台长鲁国镛（Fred Lo）评论称：“作为一项土木工程之建设成就，FAST显然是令人惊奇不已的”。
FAST的（单个）天线面板口径冠绝全球——位居第二的是地处波多黎各（Puerto Rico）的阿雷西博（Arecibo）射电望远镜，其天线面板直径305米，信号采集面积不到FAST的一半。不止于此，FAST的设计也独辟蹊径，为射电天文开创了新的天地：它要将巨大球形面板的一部分（该整体球形天线镜面由众多面形微曲的三角形面板拼接组成- 译者注）拖拽成一个逐渐运动的抛物面，用以应对地球自身的旋转（宇宙间的射电源犹如日月一样在不同的高度上东起西落，其位置因地球自转而不断变化- 译者注），瞄准并跟踪宇宙中的物体；这样的好处是给一个原本固定不动的天线面板增添了其部分能倾斜旋转的天线功能。在悉尼的澳大利亚联邦科学和工业研究组织（Australia's Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，以下简称CSIRO）的一位射电天文学家迪克·曼切斯特（Dick Manchester）说，这项技术创新“绝对是独一无二的，之前谁也没有这样干过”。
口径越大就是越好
图例2. 比起世界第二大的射电望远镜-即在波多黎各的阿雷西博天文台的，FAST的接收面积是其两倍还多。因而，FAST可以研究更微弱和更遥远的天体。（图片来源：C. Bickel/Science)
南仁东现在不急着为科学操心还有另一个原因。尽管2016年9月25日各级政要官员已云集于贵州高规格庆贺FAST竣工，望远镜依然没能按计划工作。南仁东正在集中精力解决近期才暴露的一个技术故障，天线镜面变形功能受挫，使得早期科学应用受到限制。他说，要让FAST真正兑现其科学目标承诺，“我们还有许多事情要做”。
鲁国镛说：“毫不夸张地说，南仁东自始至终都是FAST的主要驱动力”。上世纪60年代中期，南仁东在北京的清华大学接受本科教育，学习超高频电子学，他的工程癖好自那时养成。在中国动乱的文化大革命期间，他在一家电子厂工作了十年，然后重返学术界，在合肥的中国科学技术大学获得了天文和天体物理博士学位。
酝酿建造FAST的想法由来已久，从上世纪九十年代就开始了。那时，南仁东作为中国代表团成员参加了一个国际工作组，该工作组最终提议将平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometre Array，以下简称SKA）定为下一代射电望远镜。天文学家们一直指望着（射电）干涉技术有所进展，能合并几十甚至几百台天线面板收集的信号，这样就可以拼接一个采集面积远远大于现有规模的射电望远镜。在早期规划时，中国曾经竞争主办SKA，拟在遍布中国西南诸省的石灰岩洼地中建设若干个大型镜面天线望远镜，中国天文学家们甚至做了FAST的初步准备工作，作为SKA望远镜的原型。
然而，SKA的支持者们最终选择了另一套设计方案，其特色是由几千枚小型天线组成阵列。2006年，中国未能进入SKA候选地址的名单之中；SKA的第一期建设预计将于2018年在南非和澳大利亚破土动工。虽然隐忍着失望，南仁东和他的同事们义无反顾地推动着中国建造FAST的进程（《科学》2009年6月19日,1508页）。
天文学家李菂说，在观测如中子星这样的点源方面，以及搜寻地外文明进行多频率扫描方面，单天线面板更有优势。李菂是FAST项目的科学家，曾在加利福尼亚州帕萨蒂娜的美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）工作过。CSIRO的一位天文学家乔治·郝布斯（George Hobbs）说，比起望远镜阵列中的众多天线面板来，单天线面板还有一个优势，那就是“造价相对低廉，且更容易直接升级”，“你只管不断制造质量更好的接收机就行”。
作为一个嗜好工程的天文学家，南仁东领导了该射电望远镜大部分早期工作，并且是该项目的首席科学家和首席工程师。（图片来源：中国科学院 国家天文台)
FAST获得国际评审委员会批准支持后，中国国家发展和改革委员会（发改委）于2007年提供了9千万美元的经费来启动该项目；来自其它相关机构的资助把经费总额提升至1.8亿美元。南仁东一直领导着FAST的大部分准备工作，并于2008年被指定为首席科学家和首席工程师。“按照传统惯例，这是两份工作”，李菂称，但是南仁东的实践经验和所受的科学训练可以让他“同时戴着工程和科学的两顶帽子”与资助机构沟通。
应该在哪儿建造这天线面板，南仁东心中早已有数，也深知这件事非同小可。早在上世纪九十年代，卫星勘测已经在中国西南诸省识别出了400个候选（喀斯特）洼地。这个数目不断缩减，最后，南仁东亲自考察了一部分候选洼地。他回忆起当时徒步跋涉到大窝凼洼地的情景，抬头望向四周，整个天空几乎呈一个圆形视野区，“就像位于一口井的底部一样”。
完美嵌合
图例3. FAST的规划人员在中国西南部调研了大约400个喀斯特洼地，最终选定大窝凼，它犹如摇篮恰好能支架吊装望远镜巨大的球形天线面板。（图片来源：C. Bickel/Science)
南仁东说：“这个地点是安装FAST的绝佳位置，（但是）建设条件恶劣无比”。大窝凼距最近的高速公路要好几个小时，狭窄的道路颠簸崎岖，在高峰和小村落中蜿蜒穿插。为了连接洼地和最近的县城，FAST施工队修筑了7公里的道路。因为难于接近洼地，重型装备的使用也受到限制。“几乎所有的事情都是人工徒手劳作”，南仁东说，“竭尽全力的工人”在40摄氏度的高温下肩扛手提运送了100公斤的物资。相比之下，他说，“在北京或上海建设一座桥梁，那真是小菜一碟”。
楼主
