萬里挑一的為何選址 FAST為何選擇這個"窩"里建

世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)今天在貴州省平塘縣正式投入使用，這一500米口徑的選址選擇球面射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)在喀斯特地貌天然形成的洼地中，被譽(yù)為“觀天巨眼”。個窩

由于FAST的為何落戶，安放“觀天巨眼”的選址選擇洼地也成為科學(xué)界關(guān)注的焦點，人們稱這個名叫“大窩凼”的個窩自然洼地為“地球上最美的眼窩”。

FAST正式啟用前夕，為何項目選址科研團(tuán)隊負(fù)責(zé)人宋建波接受專訪，選址選擇揭秘在本世紀(jì)初為大射電望遠(yuǎn)鏡秘密選址的個窩科研過程。

選址從找到一萬多個“窩”開始

從2002年11月接到大射電望遠(yuǎn)鏡臺址第二輪選址科研任務(wù)開始，為何貴州工業(yè)大學(xué)(后并入貴州大學(xué))教師、選址選擇地質(zhì)工程專業(yè)博士后宋建波面臨的個窩第一個考驗是可供參考的資料極少。

“如果把每個可以建造望遠(yuǎn)鏡的為何天然洼地比作一個‘窩’，那我們的選址選擇研究范圍內(nèi)到底有多少‘窩’，這些‘窩’都在哪里?個窩”宋建波說，當(dāng)時沒有現(xiàn)成的資料，可以用的技術(shù)手段又非常有限，只有上“笨辦法”：一個一個找，一個一個數(shù)。

科研團(tuán)隊一頭扎進(jìn)了厚厚的地形地質(zhì)圖里。從1：50萬的地形地質(zhì)圖看起，巖石的分布特征讓他們首先確定了“窩”肯定不會出現(xiàn)的地理位置，排除掉之后的其他區(qū)域，就可能出現(xiàn)適合望遠(yuǎn)鏡“安家”的“窩”。

地質(zhì)圖隨后被精確到了1：1萬，團(tuán)隊成員開始在一張張茶幾大小的圖上沿著密密麻麻的等高線“找圈圈”：“圈圈”越圓、越大就越有可能是要找的目標(biāo)，“圈圈”旁邊螞蟻大小的數(shù)字則顯示這是一座山峰還是一個“窩”。

“發(fā)現(xiàn)一個‘窩’拿筆記錄下一個，看了8000多幅圖，最后找出來一萬多個‘窩’。”宋建波說，現(xiàn)在FSAT所在的“窩”就是那一萬多個中的一個，當(dāng)時看圖就感覺眼前一亮，“但哪個最合適不是感覺出來的，得靠科學(xué)。”

3位帶著厚厚眼鏡的博士花了3個月用“笨辦法”找出了最基礎(chǔ)的研究資料，藍(lán)色的圓珠筆記錄下每個“窩”的基本情況，記錄本上同時劃滿了紅色圓珠筆的標(biāo)注，有的“窩”前劃了紅勾，有的打上了圈，有的直接一條橫線徹底劃掉。

2003年7月，經(jīng)過數(shù)次篩選，一個由743個“窩”組成的備選洼地數(shù)據(jù)庫正式形成。緊接著，科研團(tuán)隊拿著一份像選航天員一般“苛刻”的指標(biāo)，評價每一個“窩”的情況——“窩”內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)、水文情況、長短軸比例、挖填方率是否合適;“窩”口的閉合情況、幾何形狀是否達(dá)標(biāo);整個“窩”的地質(zhì)災(zāi)害、地震風(fēng)險、氣象條件、無線電環(huán)境等等是否滿足條件。

最終，743個“窩”被進(jìn)一步篩選出82個成為重點考察對象，這些喀斯特洼地集中分布于貴州黔南州、黔西南州和安順市境內(nèi)。團(tuán)隊花了幾萬元研究經(jīng)費(fèi)買了一輛長城賽弗越野車，開始對這82個“窩”進(jìn)行實地調(diào)查。

82個“窩”里尋找解題之道

“翻山越嶺，82個‘窩’一個都不能少。”宋建波回憶說，當(dāng)時貴州的交通狀況很差，有時調(diào)查一個“窩”路上要花一天，越野車順著狹窄的山間毛路前進(jìn)，一邊是大山，一邊是懸崖，開到是在沒辦法前進(jìn)的地方停下，再走到“窩”里。

實地調(diào)查并不是看看大山、敲敲石頭那么簡單，除了巖體和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的觀察，山體里的水系統(tǒng)對望遠(yuǎn)鏡的“人身安全”意義重大，一旦“窩”底的排水系統(tǒng)堵塞，山體中的水將無法流入地下暗河，望遠(yuǎn)鏡就有被淹沒的危險?？蒲袌F(tuán)隊經(jīng)常要找到每一處水源，沿著明河、暗河行走研究水動力的過程，這時常需要在三伏天頂著烈日走上很長時間。

調(diào)查途中遇到困難，科研團(tuán)隊不敢聲張求助，在當(dāng)時，這還是一項保密的科研任務(wù)。整個團(tuán)隊當(dāng)時抱著一個信念：哪個地址最合適要靠科學(xué)計算成果得出來，選址結(jié)果要對歷史負(fù)責(zé)。

兩個多月的實地調(diào)查后，科研團(tuán)隊進(jìn)入了近一年的核心攻關(guān)階段：他們計劃開發(fā)一套仿真系統(tǒng)，立體呈現(xiàn)每一個重點考察的“窩”和大射電望遠(yuǎn)鏡結(jié)合在一起的樣子，再對建設(shè)中需要考慮的幾何、地質(zhì)、工程等等條件進(jìn)行綜合計算。

這套系統(tǒng)的學(xué)名叫做“洼地三維仿真和臺址優(yōu)選系統(tǒng)”，宋建波解釋說，通俗講就是用來計算每個洼地最合適建多大口徑的望遠(yuǎn)鏡，如果確定要建500米口徑的FAST望遠(yuǎn)鏡，那么就計算哪個“窩”建設(shè)工程量最小。

“這是我們科研團(tuán)隊的首創(chuàng)，做出來了以后給類似望遠(yuǎn)鏡選址都能用上，選址難題就能找到解題之道。”宋建波說，系統(tǒng)應(yīng)用起來輕巧，但開發(fā)起來難度比想象中大很多，除了地質(zhì)學(xué)的知識外，還需要扎實的數(shù)學(xué)、物理、計算機(jī)功底，“有時候還需要一些靈感。”

宋建波反復(fù)說，核心攻關(guān)的過程中“累慘了”，團(tuán)隊成員都剛剛30出頭，有時吵上幾句，有時發(fā)發(fā)牢騷，通宵后睡辦公室是常事。

系統(tǒng)最終給出了團(tuán)隊最想要的答案：計算精度高，挖方模型計算誤差僅為0.44%，填方模型計算誤差為0.66%，系統(tǒng)使計算效率大大提高，與此同時，系統(tǒng)還能計算出整個望遠(yuǎn)鏡球心的建設(shè)位置，這將有利于施工階段減少誤差。

“大窩凼”最終浮出水面

在“洼地三維仿真和臺址優(yōu)選系統(tǒng)”的支撐下，通過專業(yè)的定性分析和定量計算，科研團(tuán)隊給出了首批推薦的FAST核心備選臺址，推薦中排名第一的“窩”叫做“大窩凼”，用五種方法計算出的結(jié)果均為“好”。“打多”、“砂鍋堡葫蘆沖”、“商家沖”三個“窩”分列二到四名。

計算結(jié)果同時顯示“大窩凼”最適宜建設(shè)的射電望遠(yuǎn)鏡口徑為546米，最符合FAST500米口徑的需求。之后，科研團(tuán)隊對“大窩凼”進(jìn)行了更加細(xì)致的研究和計算。

考慮到FAST接收的信息一般是來自遙遠(yuǎn)宇宙極弱的天體無線電信號，任何輕微的電波干擾都將使FAST失去威力，同時，氣候要素也影響著FAST的結(jié)構(gòu)設(shè)計和正常使用，冰雹是影響望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害，在2004年2月至2005年2月，貴州省無線電管理委員會和貴州省氣象局對“大窩凼”進(jìn)行了長達(dá)一年的無線電話經(jīng)檢測和氣候環(huán)境監(jiān)測。

2006年，F(xiàn)AST項目正式?jīng)Q定選址貴州平塘“大窩凼”。

“最終事實證明我們找到了FAST最合適的家。”宋建波感慨，大約4年的科研努力在宣布決定選址的那一刻感覺值了，“算是當(dāng)時平均年齡32歲的一群年輕人創(chuàng)造的驚喜。”

隨著研究的深入，團(tuán)隊除了進(jìn)行FAST項目的選址研究外，還把目光投向了一個簡稱為SKA的項目，這個項目計劃建設(shè)接收面積達(dá)到一平方公里射電望遠(yuǎn)鏡陣，以觀測到更多的天文信息，以解決目前困擾科學(xué)界的眾多尖端問題。

2004年，中國科學(xué)院國家天文臺對中國SKA站址進(jìn)行了非常嚴(yán)格的布局要求，要求中國SKA臺址的核心區(qū)盡可能包括FAST臺址，已建成的新疆、北京、青海、上海、云南5個射電望遠(yuǎn)鏡臺址必須在SKA臺址的核心區(qū)的對數(shù)螺旋線(天文學(xué)專有名詞——記者注)上，同時要完成更多臺址的選址，以滿足望遠(yuǎn)鏡接收面積達(dá)到一平方公里。

面對這個同樣是“世界級”難度的選址，科研團(tuán)隊在前期研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了“中國SKA臺址布局可視化系統(tǒng)程序”，并計算出兩個方案：一種是建63個口徑相對較大的望遠(yuǎn)鏡，一種是建126個口徑相對較小的望遠(yuǎn)鏡。

“這意味著未來中國建造射電望遠(yuǎn)鏡陣的‘窩’也選好了。”宋建波說，F(xiàn)AST啟用是個重要的開始，“研究地質(zhì)的人祝福研究天文的能帶來更多驚喜。”