中国天眼首次探测到“宇宙深处的神秘射电信号”
4日，来自中科院国家天文台FAST项目部的消息称，FAST首次探测到快速射电暴重复爆发，捕捉到目前全世界已知数量最多的脉冲。科学家称，这个“宇宙深处的神秘射电信号”距离地球约30亿光年，目前已排除了飞机和卫星等干扰因素，后续交叉验证正在进行之中。
中国天眼全貌（图片来源/科技日报）
被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）于2011年开工建设，2016年主体工程完成，投入使用近三年。这台望远镜可以说从筹建开始，就引起了全世界科学家的关注。据估计，FAST将在10～20年里保持世界领先地位。
FAST学名揭秘
射电望远镜，就是主要在射电波段（天文上把部分微波和无线电的波段叫作射电波段）观测的望远镜。宇宙中有各种各样的电磁波射向地球，但是大气的不同成分会阻挡宇宙电磁波的入射。为了看到那部分被阻挡的电磁波，科学家们将许多望远镜用火箭发射到大气层外的太空，成为太空望远镜。而留在地面的便是可见光部分的光学望远镜和射电部分的射电望远镜了。至于“500米口径球面”，指的是望远镜的单个直径达到500米，反射面类似球面而不是抛物面。把一个球剖开，就是球面；把一个球面压扁一点，就变成抛物面。比如美国著名的“甚大天线阵”就是抛物面望远镜，每个望远镜的“锅面”就是主反射面，“锅面”口径25米（FAST口径500米，想象一下是多大吧）。每个望远镜在反射面上方的中心都有一个装置，叫作馈源。它是用来干什么的呢？原来，这种抛物面型的反射面会把射电信号发射聚集到一点，这点就在馈源上，所以馈源是用来收集信号的。
甚大天线阵（Very Large Array）（图片来源 / 美国国家射电天文台）
冠绝天下的“天眼”
望远镜一个极其重要的参数就是口径。口径越大，能接收到的电磁波的面积就越大，获得的电磁波信息也就越丰富，看到的天体也就越远。目前世界上几个主要的大口径射电望远镜如图①~⑤所示。
①中国500米口径的FAST
②美国350米口径的阿雷西博（Arecibo）
③德国100米口径的埃菲尔斯伯格（Effelsberg）
④美国110米口径的绿岸（一说绿堤）（GBT）
⑤澳大利亚64米口径的帕克斯（Parkes）
有意思的是，相对于美国350米口径的阿雷西博，德国的100米口径射电望远镜曾号称“地面最大的机器”，因为这台望远镜可以左右360度以及上下转动。而美国350米口径望远镜基本是把镜面固定在山坳上，能动的仅为顶上吊着的用来接收镜面反射信号的馈源舱。但是，在FAST建成后，“地面最大的机器”再也难说是埃菲尔斯伯格了。
领先世界的创新
上面介绍的几个世界著名望远镜中，除了巨无霸型的美国阿雷西博和中国FAST，其他几个口径相对较小的望远镜都有一个共同点——都是抛物面而非球面镜。反射信号时，这两种反射面有什么区别呢？抛物面反射面可以把信号都集中反射到一点上，聚集信号的点是固定的，方便收集信号；而球面反射面则会把信号反射到好多个点，不是固定的。为什么会有这两种不同的望远镜呢？因为星体每时每刻都在运动，发射过来的信号方向也会变，因此反射面（也就是那口“锅”）也要跟着一起动才能保证接收到的是同一颗星体的信号。望远镜的跟踪功能通过望远镜支撑结构的转动轴实现，但对于数百米大口径的望远镜，什么支撑结构和动力系统能够支持这种精细的即时跟踪呢？目前答案是没有！“世界第一”的中国“天眼”在解决这一问题的创新中体现得淋漓尽致——它的“锅”会自动追着星星变形。首先，FAST在山坳里绕“大锅”架起一圈钢梁结构，用来支撑挂载反射面，使它与地面保持距离。其次，用大小精确到毫米的4600块三角形小面板拼接成整个反射球面。最后，通过布满整个镜面背部的钢绞线索，拉住每6个小面板拼接处的节点进行拉伸。
天眼钢梁结构展示图
当星体运动过来时，通过电脑控制钢索把小面板往下拉，将整个球面拉扁，变成抛物面；当星体离开时，将抛物面恢复成球面，再将另一个方向拉成抛物面。整个球面镜跟着星体的运动不断变形、恢复。如此，FAST最终在保证大口径和良好观测的同时，也完成了跟踪！这是世界首创，也是整个FAST工程无数科学家和工程师的智慧结晶，是当之无愧的世界第一！随着时间推移，FAST将会看到更多的宇宙奥秘，甚至可能接收到外星文明的信号！
本文综合自《知识就是力量》杂志、科技日报
