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。科学家们往往会采用射电望远镜获得这些隐藏着宇宙信息的电磁波。

射电望远镜,是在射电波段观测的望远镜,将宇宙天体发出的无线电波反射会聚到一点,经过接收机的放大,并转变成能用仪器记录的信号。可以说,射电望远镜就是人类探索宇宙的“天眼”

20世纪60年代天文学取得的四项重要发现:脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子,都与射电望远镜有关。

诺贝尔奖历史上基于天文观测的10项获奖成果中,有6项都出自射电望远镜。现代射电天文学已成为诺贝尔奖的摇篮,令各国科学家趋之若鹜。

1993年,在国际无线电科学联盟大会上,中国、南非、澳大利亚、日本等国的天文学家提出,联合建造新一代射电大望远镜,由数千个较小的碟形天线组成1平方公里的射电阵(Square Killometer Array)。

当时中国的天文望远镜最大口径只有25米。国内天文学家为了研究,往往需要借用国外的射电望远镜。因此,中国科学院国家天文台决定建立一个500米口径球面射电望远镜(英文全名:Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope),简称FAST。

经过22年的筹备建设,FAST在2016年9月25日正式落成启用,人们将其称为中国天眼。

中国天眼坐落在贵州省平塘县克度镇金科村大窝凼,拥有4450块反射面板,接收面积达25万平方米。通俗地形容,它的面积约30个足球场大小。

假设在这个“大锅”装满水,全世界每人可以分4瓶矿泉水,是世界最大口径、最灵敏的射电望远镜。中国非但有了自己的天眼,还是全世界最大的天眼。

为什么是贵州?

1994年,中国天眼总工程师南仁东开始为项目选址,研究团队建立了391个候选地区的地形地貌数据库,再从中精选出90多个进行漫长的实地勘察。踏遍千山万水,项目最终在贵州省平塘县的大窝凼落地。为什么这里会脱颖而出?

地处云贵高原的贵州,地形以高原山地居多,平均海拔约1100米。一般情况下,海拔越高,越能减少电磁波的传播损失,从而在最大限度地发挥观测设备的效能。天眼作为我国天文观测的重要基地,如何保障观测数据的清晰准确至关重要。

天眼的选址不仅仅考虑海拔条件,还有地貌的要求。作为射电望远镜,天眼需要建造一个“大锅”接收信号,通过“锅”的反射聚焦,把大面积的信号聚拢在一点上。“锅”的面积越大,接收的信号越好,为了减少工程开挖量,项目的选址最好选择凹形口径较大的洼地。

因此,青藏高原尽管在海拔上占据优势,但由于群山延绵、分布着大量的永冻土,施工难度极高,不利于天眼的建造,被排除在选址之外。喀斯特地貌广布的云贵高原成为最优选择。

隐藏在贵州群山深处的平塘县大窝凼,就是一片天然的洼地,具有特殊的“凹形”地理结构,宛如一个天然的“灶台”盛起了天眼的“锅”。

而且这里地下溶洞极为发育,便于雨水下渗和流动,不易形成积水,避免腐蚀和损坏望远镜,简直是为天眼量身定做的存在。

贵州平塘县在云贵高原东南坡向广西丘陵的过渡地带上,喀斯特地貌广布。图源/中国天眼科普基地

同时,由于天眼接收大量的无线电信号,需要十分“安静”的环境,人类活动中的电视、手机、广播等无线设备都会对天眼的磁场带来干扰,影响天眼的灵敏度,项目必须远离城市、村落和信号基站。

贵州的偏远地区,人口密度小,旅游业发展程度低,电波干扰比旅游业发达的云南更少。

为了支持天眼项目,贵州省政府在2013年出台法令,在项目所在地大窝凼建立一个5公里无线电静默区,30公里内禁止建设有干扰的设施设备,并将附近的农民搬迁安置,在一定程度上保障了天眼的顺利建成和运行。

虽然天眼在人烟稀少的“净土”进行天文监测,但是作为世界级科研项目,科研人员之间来往交流非常频繁,因此选址需要满足交通便利的条件。两者看似矛盾,却并非不可兼顾。

贵州是中国西南的交通枢纽,据贵州省交通运输厅数据显示,截至2018年底,贵州省高速公路里程达到6453公里、出省通道18个;

民航运输机场9个地市(州)全覆盖,达到了每万平方公里约0.62个机场,是西南地区机场分布密度最高的省份,超出中国平均水平的1.6倍。

贵州地处内陆,从直线距离看,可以同时兼顾印度洋、太平洋地区,在国家国防战略中占有重要地位。有军事专家提出,如今的卫星和雷达技术不能完全对隐形战机进行监测,射电望远镜能够弥补这个漏洞。这样看来,把天眼放在贵州也有军事战略考虑。

据国务院国有资产监督管理委员会新闻中心估算,天眼运行1小时用电可达2988度,而且435伏的额定电压波动不能超过正负0.5%。一旦电压如果超过允许的波动范围,就会启动保护程序,存在报废风险。

贵州的水能资源非常丰富,理论蕴藏量达1875万千瓦,居全国前列,水电装机1945.50万千瓦,位列全国第四,水电资源开发率达到96.7%,比全国高出27个百分点。因此完全可以保障天眼的电力供应。

此外,贵州是首个国家级大数据综合试验区。浩瀚宇宙中海量又微弱的电磁波信号奔向地球,被天眼收集后形成了大量的数据。

分析、共享和研究这些数据需要极强的超算能力和大数据分析技术,贵州在大数据资源上的开发建设,有利于帮助科学家从中获取宇宙信息。