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如果你喜欢摄影，一定知道光圈口径越大的镜头，设计和制造难度越大，价格也越昂贵。镜头的口径大，单位时间内的进光量大，拍摄时快门的速度就快，所以人们常用镜头的最大光圈来表示镜头的“速度”，大光圈镜头常被称为“快镜头”。我国即将竣工的全球最“快”，也就是口径最大的射电望远镜，它的英文全称是Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope（500米口径球面射电望远镜），缩写恰好是“FAST”——快。下面，我们就来看看这个世界上最“快”的射电望远镜都有哪些神奇之处。

图1. FAST望远镜 图/FAST

射电望远镜

宇宙天体不但会发出我们肉眼可见的可见光，还会发出我们看不见的不同波长的电磁波，包括无线电波。射电望远镜就是观测宇宙天体发出的无线电波（在天文学上又称为射电波）的设备。地球大气不会阻挡射电波，所以在地面上就可以很好地开展射电天文学的研究。天文学上许多重要的发现，例如脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子等，都是通过射电望远镜的观测得到的。

理论上，望远镜的极限分辨率是由望远镜的口径和所观测电磁波的波长决定的。射电波的波长比可见光的波长要长得多，所以为了观测宇宙深空天体的微弱信号，射电望远镜的口径（也就是反射面的直径）通常也比光学望远镜的要大得多。另外，科学家还提出了综合孔径望远镜，可以将位于不同地点的射电望远镜的信号合成起来，使其分辨率进一步提高。

衡量射电望远镜性能的基本指标包括灵敏度和分辨率。灵敏度是指望远镜可以检测到的最低的能量值，分辨率是指望远镜区分两个彼此靠近的点源的能力。望远镜的口径越大，接收到的信号就越多，其灵敏度和分辨率也就越高。FAST不仅口径超过了以往的大型射电望远镜，还拥有许多先进的技术，它的灵敏度将是美国阿雷西博望远镜的两倍多，是德国埃菲尔斯伯格望远镜的10倍，覆盖天区、巡天速度等综合性能更是远远超过阿雷西博望远镜。

图2. 地球大气对不同波长电磁波的不透明度

射电望远镜探测的射电波，波长一般在几厘米到几十米的范围内。 图/NASA

FAST的“家”：大窝凼

FAST望远镜由中国科学院国家天文台负责建设，选址工作从1994年就开始了。最终的台址选定在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村的大窝凼（音dàng）洼地，位于北纬25.65°，东经106.86°。这个圆形的洼地直径约800米，东南侧的山头最高，海拔1201米，洼地最低点海拔841米。

为什么选择这里作为FAST的落户地点？首先，大射电望远镜的台址需要是一个“大坑”，这样，一方面有利于屏蔽外界的无线电信号干扰，另一方面可以大大减小施工工程量，降低工程造价。

地球表面的“大坑”，有矿坑、陨石坑、火山口、岩溶洼地（喀斯特洼地）等。综合考虑“坑”的尺度大小、排水条件、基岩强度等因素，最合适的就是岩溶洼地。

岩溶洼地又可分为不同的类型，例如峰林洼地和峰丛洼地。峰林是没有基座的山峰群，就像广西桂林的地貌，一座座山峰拔地而起。峰林洼地周围的山峰是独立的，山峰之间有很大的间隔。峰丛则有完整的、连接在一起的基座，四周的山峰围成一个封闭的空间，有利于屏蔽外界的干扰，非常适合作为大射电望远镜的家。

FAST工程台址与观测基地系统总工程师、国家天文台朱博勤研究员介绍，这个位于贵州平塘县的峰丛洼地，在很早以前是沉积在海底的灰岩，大约在四千多万年前，随着地壳的变化开始抬升。到了地面以后，受到大气、水等的综合作用，开始发生物理风化和化学侵蚀。例如降水会溶蚀碳酸钙成分的岩石，在其中形成管道、空洞（落水洞）。落水洞大到一定程度就会向中间崩塌。经过多次溶蚀、崩塌，形成了现在的大窝凼洼地。

岩溶洼地有一个好处，就是有利于排水。岩溶地区的地下溶洞和水系很发达，这些洼地通常都与地下河相连，本身就有下泄能力。为了保证FAST所处的洼地不会积水，还专门修建了一套排水系统，包括开挖了长一千多米的排水隧洞，可以把水引到东边一处更低的洼地。另外，岩溶洼地周围都是坚固的基岩，可以稳固地支撑起FAST的各种设施，包括圈梁、铁塔等。

通常光学天文望远镜都建设在干旱少云、海拔高、大气稀薄的地区，以避免恶劣天气和大气扰动等的影响。FAST所在的贵州中南部，气候湿润，降水较多。但这对FAST并不会有太大的影响，因为FAST所观测的主要是频率在3吉赫兹（3GHz，等于3×109Hz）以下的无线电波，大气及其中的水汽等对这些波长较长的电磁波的衰减很小，基本可以忽略。云雾、降雨等的影响也不大。

图3. 大窝凼原貌  图/FAST

无线电静默区

对于FAST来说，不怕云雾、降雨，但怕各种无线电信号的干扰。如果上空有飞机飞过，或者附近有人用手机，都会干扰FAST的观测。FAST之所以拥有如此巨大的接收面积，是要观测上百亿光年之外的极其微弱的宇宙信号。而一台手机或其他电器设备发出的信号，可能比宇宙深空的信号还要强得多。所以在FAST观测时，如果附近有一部手机在工作，那么整个数据就都会作废。

有一个真实的故事。澳大利亚新南威尔士州的口径64米的帕克斯（Parkes）射电望远镜，从1998年开始经常接收到一种异常强烈的快速射电暴信号，科学家们将这种信号命名为“perytons”。还有理论分析表明，这个信号来自另一个星系，可能是在中子星变成黑洞的过程中发出的。经过数年的搜寻，终于在2015年确定，这个信号其实是来自观测基地的微波炉。当微波炉在工作中的时候，如果炉门被提前强行打开，虽然微波炉会马上自动停止工作，依然会有一些微波瞬间泄漏出来，而如果此时望远镜的天线所指向的角度恰好合适，就会接收到这个信号。

FAST正式开展观测的时候，半径5千米之内的区域将成为无线电静默区，所有的手机基站、会有干扰的用电设备等都会被禁止。FAST望远镜与外界的通信将全部通过光纤网络进行。大窝凼附近5千米半径之内没有一个乡镇，52千米半径之内只有一个县城，所以无线电环境比较理想。为了更好的无线电静默效果，半径5千米的核心区范围内，有近1万的居民也整体搬迁到了更远的地方。

观测基地内使用的电器设备，也都专门做了屏蔽。另外，将来基地内及周围只允许柴油车进入，而不能用汽油车，因为汽油发动机采用的是电子点火系统，会对观测产生干扰，而柴油机是靠压缩气体产生的高温点火，不会有干扰。

（本文发表于《科学世界》2016年第10期）