人类对于未知的宇宙总是充满好奇，从未停止过搜索宇宙中的其它智慧生命。今年5月30日，《人民日报》发布新闻称，中国天眼9月预计可启动地外文明搜索。那么，中国天眼是什么？它在哪里？为什么它能进行地外文明搜索？

中国天眼为世界探索宇宙深处的奥秘。图源/中国天眼科普基地

中国有了自己的天眼

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（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，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。

美国新墨西哥州索科罗的国家射电天文观测站的VLA射电望远镜将被用来寻找地外文明。供图/图虫创意

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。

中国天眼坐落在延绵起伏的群山之间，周边人烟稀少。图源/新华社

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？

从空中俯瞰，贵州省平塘县群峦叠嶂，如今它已经成为中国天眼所在地。图源/中国天眼科普基地

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。

以新疆天文台南山基地为例，我国几个主要的天文观测基地都在高原山区设立。图源/中国科学院新疆天文台

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。

在中国天眼项目动工建设前，平塘县大窝凼仅有10多名居民，电波干扰极少。图源/中国天眼科普基地

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。

目前，贵州已成为我国西南交通枢纽。这里的公路穿山跨江，使天堑变通途。供图/图虫创意

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。

▲贵州构皮滩发电厂是贵州省实施“西电东送”战略的标志性工程。水电是贵州电网主要的电源类型，也是贵州占比最大的清洁能源。图源/贵州省水力发电工程学会

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。

由此看来，贵州是中国最适宜建设天眼的地区。从2016年9月25日落成启用到现在，天眼已运行3年多，它的功能到底有多强大？做出了哪些重要的贡献呢？

天眼由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。图源/中国

探索137亿光年的星辰大海

目前，世界各国均在“抢占”太空领域，美国甚至提出在太空建立战略防御计划。也就是说，未来国家之间的战争和竞争很有可能发展为太空领域的争夺，谁掌握了太空侦测的主动权，就能在未来的竞争中取得主动权。

中国天眼与号称“地面最大的机器”德国埃菲尔斯伯格100米口径望远镜相比，灵敏度能提高约10倍；与被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米口径射电望远镜相比，灵敏度是其2.25倍。天眼能够捕捉到137亿光年外的电磁信号，已经是人类目前能观测到的最大宇宙范围。从这个层面上看，天眼成为我国太空侦测与宇宙研究等领域的重要支撑。

▲美国阿雷西博射电望远镜曾经帮助科学家泰勒和赫尔斯证实引力波的存在。两位科学家因此成功获得1993年诺贝尔物理学奖。供图/图虫创意

在天眼的科学目标中，最重要的莫过于寻找脉冲星。脉冲星由恒星演化和超新星爆发产生，它像茫茫宇宙中的灯塔，发射出周期性脉冲信号，由于自转周期极其稳定，成为人类测量宇宙时空的超高精准度时钟。假设飞船进入了宇宙深处，望远镜和卫星不能直接观测时，就需要依靠脉冲星测算位置。此外，研究脉冲星还能帮助科学家探究引力波、黑洞周围的神秘时空等许多重大物理学问题。

截止2019年8月，中国天眼已发现132颗优质的脉冲星候选体，其中有93颗已被确认为新发现的脉冲星。据国家天文台研究员朱文白介绍，自1967年人类首次确认发现脉冲星以来，全球累计发现约3000颗脉冲星。“中国天眼”在短短两年内发现的数量，超过同期欧美多个脉冲星搜索团队发现的数量总和。

▲新发现的毫秒脉冲星PSR J0318+0253位置和积分脉冲轮廓。（左图）PSR J0318+0253所在伽马射线巡天图像的位置；（右图a）FAST一小时跟踪观测获得的射电波段积分脉冲轮廓；（右图b）折叠Fermi-LAT累积9年数据所获得的伽马光子积分脉冲轮廓。图源/中国科学院国家天文台

中国“天眼”的另一大科学目标是“巡视宇宙中的中性氢”。氢聚变产生的能量点亮了恒星，太阳因此发出了光和热，造就了生命星球——地球。星系中的氢元素除了形成恒星，还有一部分会剩下来，以中性氢原子形式存在，我们称之为中性氢。国家天文台副台长郑晓年指出，这可以“研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化”。

▲在2.6亿光年外发现中性氢环M57，它周围的氢环直径约38万光年。图源/NASA,ESA,Hubble Legacy Archive;Composition:Giuseppe Donatiello

地外文明搜索也是天眼的科学目标之一。1951年，诺贝尔奖获得者费米提出这样一个悖论：“如果存在外星人，它们都在哪里呢？”。由此引发了以下的争议：第一、不存在外星人；第二、存在外星人，但是我们没找到；第三、存在外星人，它们知道我们的存在，但想方设法不打扰我们，更不让我们发现它们。地外文明是否存在成为科学家一直争论的问题。

为实现这一科学目标，天眼内专门安装了一台专门用于搜索地外文明信号的后端设备FAST SETIBURST，能够从浩如烟海的电磁信号中，筛选出有用的窄带候选信号，把天体和人工信号排除掉，对宇宙噪音的处理能力非常出色。科学家已经发表了三篇中国天眼与地外文明搜索相关的论文，包括第一批地外文明搜索研究成果、进行地外文明探索巡天的量化展望和地外文明的理论研究。目前，中国天眼正在升级后端设备，将在今年9月投入新观测，正式启动针对地外文明的搜索。

据估算，未来20至30年，中国天眼将在世界望远镜领域持续保持世界一流地位。图源/中国科学院国家天文台

当然，在科学前进的道路上总是充满争论与曲折，有些人对寻找外星文明表示担忧。著名科学家霍金生前曾多次警告人类，射电望远镜收到宇宙信号后，不要回答任何可疑讯号，不要暴露人类文明的存在。他认为，假设宇宙中存在高等文明，一旦发现地球，将造成人类的灾难。

究竟中国天眼能不能成功搜索到地外文明，仍是未知之数。唯一可以确定的是，我们对于外星文明并未充分了解，更不能随意猜测，但不能因此停止前进的脚步。正如我们进入丛林，为了安全不能和老虎直接接触，但需要知道丛林里是否存在老虎。推动天眼开启地外文明搜索，不仅有“探索同类”的科学意义，还可以拓展人类对于自身在宇宙中地位的认识，对人类今后的太空移民计划更有现实意义。

曾任中国天眼总工程师兼首席科学家的南仁东说：“人类之所以脱颖而出，从低等的生命演化成高等动物，出现了文明，就是因为他有一种对未知探索的精神。”借助天眼，我们正在向137亿光年的星辰大海出发，哪怕前路未知，未来依然可期。

浩瀚的星空，一直是人们充满好奇的所在。供图/图虫创意

参考资料

· 张沛,袁超.中国天眼选址的影响因素分析[J].现代工业经济和信息化,2017,007(024):19-21.
· 马凌云. 中国"天眼"升级,巡天提速五倍[J]. 中国工程咨询, 2018, 000(006):106-107.
· 人民日报.《“中国天眼”预计9月可启动地外文明搜索！》
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1668217359252982371&wfr=spider&for=pc
· 中国科学院国家天文台.《FAST天眼能看什么？》
https://mp.weixin.qq.com/s/9eOIXM_M70eu4pe5dKUM2w
· 天文八卦学.《“中国天眼”启动地外文明搜索，真的能找到吗？》
https://mp.weixin.qq.com/s/9eOIXM_M70eu4pe5dKUM2w
· 钱磊.《宇宙基石——中性氢》
http://blog.sciencenet.cn/blog-117333-1122080.html

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