“中国天眼”：擦亮眼睛看宇宙

李钰 李云龙

宇宙的浩瀚总能引起人们无限的遐想，星空的神秘召唤着人类不断探索。1967年，人类首次发现了一种能够发出周期性电波的天体，这个旋转的中子星不断发出电磁脉冲信号，因此得名脉冲星。脉冲星密度极高，每立方厘米重达上亿吨。它的自转速度很快、自转周期精确，是目前宇宙中最精确的计时参考。脉冲星的发现引发了巨大的轰动，这是完全超出人们预料的意外收获。在过去50多年里，人类已经至少发现了2700颗脉冲星。脉冲星的研究价值很高，从近期来看，对于脉冲信号的研究和探索将有助于星际导航的开发和使用。从长远讲，对脉冲星的观测，有希望找到许多重大物理学问题的答案，也是我们探秘“地外文明的重要一步。

那么，借助什么工具オ能看到地球的世界呢？答案是射电望远镜，而说起它，必须要说说我们的“中国天眼”。

“天眼”精彩亮

“中国天眼”（简称“天眼”）是500米口径球面射电望远镜（FAST）的俗称，建设于贵州省黔南大窝凼（dang）的喀斯特深坑中。这个被人们称为“大锅”的庞然大物，是具有我国自主知识产权目前世界上最大且最灵敏的单口径射电望远镜。它是自中国天文学家南仁东于994年提出构想后，历时22年オ建成的搜寻和发现射电脉冲星是“天眼”的核心科学目标。

“天眼”借助天然圆形溶岩坑建造，反射镜边框是1500米长的环形钢梁，而钢索依托钢梁悬垂交错，呈现出球形网状结构，主动反射面直径为500米，由4450个三角形面板组成，反射面总面积达25万平方米，相当于30多个标准足球场那么大，用于汇聚无线电波。

“天眼”使人类向宇宙未知地带探索的眼力更加深邃，眼界更加开阔：它能把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高100倍;它能最远观测到137亿光年之外，这一数字已经接近宇宙边缘，即便是在月球上打电话，也能被“天眼”听得清二楚;它能把脉冲星信号到达时间测量精度由120纳秒提高至30纳秒，成为国际上最精确的脉冲星计时阵，为自主导航这前瞻性研究制作脈冲星钟;它能进行高分辨率微波巡视，识别微弱的空间信号，作为被动战略雷达为国家安全服务。

未来，“天眼”还将在中性氢观测、谱线观测、寻找可能的星际通信信号等方面进行探索。我们知道，无论哪种文明，只要科技发展到一定程度，就必然离不开无线电通信，越是强大的文明，无线电波技术越高，发出的无线电信号也越强。如果我们能接收到这样的信号，经过破解就有可能发现外星文明的存在和位置。据科学家介绍，如果银河系内存在外星人，“天眼”就能捕捉到其信息

自2016年9月落成启用至今，“天眼”已发现300多颗脉冲星，成绩骄人。2021年4月1日，“天眼”正式面向全球科学家开放，与世界共享科学成果，这将为人类认识宇宙、探索宇宙做出巨大贡献。

素网结枃助力宇亩观测

很难想象，这样一个大锅形状的巨物竟然是一台望远镜。实际上，“天眼”的工作原理和光学设备是一样的，都是将电磁波反射到一点，然后进行接收及分析。换句话说，“天眼”相当于物理实验中的凹面镜。

但是，“天眼”又绝不是制造一个巨型凹面镜这么简单。它突破了传统望远镜的工程极限，很多关键技术和建设标准在国内外相关领域里都没有可借鉴的经验。比如，索网结构的建设过程，需要考虑超大跨度索网安装、超高疲劳性能和超高精度钢索结构等诸多技术问题。索网结构是“天眼”主动反射面的主要支撑结构，也是反射面主动変位工作的关键一点。“天眼”的索网结构直径500米，由6670根主索、2225个主索节点以及相同数量的下拉索组成。其中，主索索段控制精度达1毫米以内，主索节点位置的精确程度达5亳米，索网构件疲劳强度不低于500兆帕，这是网结构现有规范标准的2.5倍。由于喀斯特地貌的限制，索网结构的拼装和维护都是在高空进行。

“天眼”索网是目前世界范围内跨度最大、精度最高的索网结构，同时也是世界上首个采用变位工作方式的索网体系。“天眼”索网有2400个连接节点和4450个反射面单元，每个连接节点下方有液压促动器。根据观测天体的方位，利用促动器可实时控制下拉索伸缩到指定位置，在反射面的不同区域形成直径达300米的抛物面，这样就能更加灵活、准确地完成天体观测活动。

“天眼”能大量观测到脉冲星，这种独特的主动变位工作方式居功至伟。

“天眼”也“眼保健操”

“天眼”是精密而脆弱的仪器。如果把它比作人类的眼睛，反射面板相当于人眼的视网膜，而液压促动器就是控制眼部肌肉的神经元。正如人类的眼睛会疲劳、生病一样，“天眼”也需要细致的维护和检修。

如何为“天眼”做“眼保健操”呢？为了能准确地按摩到“天眼”的“穴位”，技术团队建立了反射面安全评估系统，即运用全过程仿真技术，将反射面用力学模型数字化，这样就可以实现对节点的实时监测，促动器工作状态超出安全范围，将被反馈至控制室，便于工作人员及时保养维护。

“天眼”直径为500米，垂直高度差达50米，倾角近60度，表面是厚度只有1毫米、开孔50%的铝合金面板。这些金属面板该如何维护和检修呢？

如果工作人员直接站在反射面板上就会给面板造成极大的压力和损伤。为了减少表面损伤，不影响正常观测作业，设计团队花费半年时间，终于运用“微重力蜘蛛人技术”解决了反射面板的日常维护问题。

微重力蜘蛛人技术，顾名思义就是采用浮力配重平衡技术，使用直径超6米的巨大氨气球将工作人员“吊”在“大锅”表面，利用氨气球的浮力抵消工作人员自身大部分体重，甚至零重力，让他们能够到达反射面任意位置执行巡检和维护作业又不会损伤面板。

“天眼”这个庞然大物看似简单、笨重，实际上每个环节的设计都凝结着技术团队几个月甚至几年的辛苦付出。为了让天眼”更加明亮，中国团队也在不断突破创新。中国同世界一道，正迎来射电天文发展的黄金时期。

中国天眼”让世界遥望宇宙，看见未来。