“中国天眼”，聆听宇宙的声音（开卷知新）

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图片分别为延时拍摄的FAST上空的星轨，以及建于贵州大窝凼洼地的FAST 。
中国科学院国家天文台供图
制图：赵偲汝
2021年3月31日，“中国天眼”（FAST）正式向全球天文学家开放。“中国天眼”是什么？它是我国具有自主知识产权、用于探索宇宙的单口径球面射电望远镜。有了它，可以推动对宇宙深空的了解与探测，为天文学的发展提供新的可能。
“中国天眼”有多大？它口径500米，发射面积相当于30个标准足球场那么大。如果在里面倒满矿泉水，全世界70亿人平均每人可分4瓶。它能看多远？能看穿130多亿光年的区域，接近宇宙边缘。目前，“中国天眼”是世界上最大的也是最灵敏的单口径射电望远镜。
借鉴抛物面天线原理，从地球聆听来自宇宙的信号
“中国天眼”的学名是500米口径射电望远镜。不同于常见的通过可见光进行观测的光学望远镜，射电望远镜通过接收宇宙中不可见的无线电波来“观测”宇宙。我们上方厚厚的大气层有两个“窗口”：一个是可见光窗口，千百年来人类都是通过这个窗口观测宇宙的；一个是无线电窗口，上世纪30年代，无线电天文学先驱卡尔·央斯基偶然发现了来自银河系中心的信号，射电天文学的大幕由此拉开，推动人类认识宇宙起源、生命起源。
“中国天眼”是当今射电天文学的“重器” 。其基本原理是什么呢？我们都知道，平行电磁波遇到抛物面反射后会汇聚到焦点的位置。对射电望远镜来说，把反射面做成抛物面的形状，然后在焦点位置放置一台接收机，就可以汇集天体发出的电磁波信号，从而进行天文观测。抛物面的面积越大，汇集的信号就越多，也就越能探测到更暗弱、更遥远的天体。所以，自卡尔·央斯基意外发现射电天文观测窗口之后，各国天文学家就一直致力于建造反射面尽可能大的巨型射电望远镜。
与此同时，伴随人类对无线电的大规模使用，产生了越来越多的无线电波，干扰了人类对太空信号的接收。在1993年国际无线电大会上，包括中国在内的多个国家提出倡议，希望在地球电磁波环境被破坏之前，建造出超大口径的射电望远镜。次年，以南仁东先生为代表的中国科学家开始“中国天眼”的探索，开启了“把不可能变成可能”的征途。
难度大、突破多，“中国天眼”在灵敏度上占据制高点
【“中国天眼”，聆听宇宙的声音（开卷知新）】到底能建口径多大的望远镜，取决于最终找到多大的洼地。适宜的洼地非常难找，因为它要同时符合四大条件。首先要足够大、足够圆，否则只是开挖和支护成本就会让这个项目无法实现；其次，要远离人口密集区域，这样才能保证优良的电波环境；再次，不能积水，不然设备寿命难以保证；最后，还要有优良的地质条件，否则无法建成大型、高精度的天文观测设备。
从1994年到2006年，南仁东带领团队，从8000多幅地图中选出300多个洼坑，再进一步将范围缩小至几十个。团队几乎走遍这些洼地，现场踏勘，风餐露宿。最终，将台址定在贵州平塘县克度镇的大窝凼洼地。
台址确定后，如何设计、如何实现、建成之后如何调试和使用，都没有现成经验可以借鉴：关键技术无先例可循、关键材料需从头研制。
“中国天眼”设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜，这首先体现在“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”指反射面；“瞳孔”指馈源舱，即放置接收宇宙外信号装置系统的舱体。