“中國天眼”六周年！這項(xiàng)獨(dú)一無二的球面射電望遠(yuǎn)鏡都有哪些成就？

2016 年 9 月 25 日，被譽(yù)為“中國天眼”的 500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）落成啟用。截止至今年 7 月，“中國天眼”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了 660 余顆新脈沖星。正值“中國天眼”落成六周年，讓我們跟隨 FAST 的總工程師姜鵬，一起了解一下 FAST 的建造初衷、到目前為止 FAST 都取得了什么樣的科研成果，以及接下來 FAST 還有可能會(huì)給我們帶來什么。

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FAST 都在觀測什么？

FAST 是一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，會(huì)在射電波段觀測太空。射電波段的發(fā)現(xiàn)源于一次非常偶然的事件，對于射電天文學(xué)的研究，讓我們有四個(gè)非常重要的新發(fā)現(xiàn)，即脈沖星、星際分子、微波背景輻射、類星體。其中，對于脈沖星的觀測就獲得了包括中子星的發(fā)現(xiàn)和引力波兩項(xiàng)諾貝爾獎(jiǎng)。

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FAST 誕生的“原動(dòng)力”是什么？

想要獲得更多、更詳盡的天文學(xué)數(shù)據(jù)，就需要有更大接受面積的望遠(yuǎn)鏡，對于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡如此，對于射電望遠(yuǎn)鏡亦是如此。更大的接收面積，意味著會(huì)有更強(qiáng)的暗、弱信號(hào)探測能力，可以擴(kuò)大觀測樣本數(shù)量，可以提高發(fā)現(xiàn)奇特天文學(xué)現(xiàn)象的幾率，同時(shí)還能看到更遠(yuǎn)的天文學(xué)現(xiàn)象。一般來講越遙遠(yuǎn)的天文學(xué)現(xiàn)象代表的是更早期的天文學(xué)現(xiàn)象，比如我們看到太陽是 8 分鐘之前的，我們看到銀河系邊緣可能是十幾萬、二十萬年前的，看到臨近星系 M31 那是幾萬年前的，那么看到的類星體可能是一百多億年前的，所以如果我們想看到更早期的宇宙現(xiàn)象怎么辦？那只能朝更遠(yuǎn)的方向去看。

所以更大的望遠(yuǎn)鏡對于我們回溯宇宙歷史有非常大的幫助，而建設(shè)更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，是科學(xué)家們永無止境的追求，過去如此，現(xiàn)在如此，未來也將會(huì)如此。建造 FAST 的原動(dòng)力，就是為了能夠看得更遠(yuǎn)，為了能夠回溯宇宙更遙遠(yuǎn)的歷史。

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FAST 有什么特點(diǎn)？

FAST 作為球面望遠(yuǎn)鏡，與傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡有所不同。傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡都是采用拋物面，將接收機(jī)放在拋物面的焦點(diǎn)上，就可以進(jìn)行信號(hào)收集。那么球面和拋物面有什么區(qū)別呢？它們會(huì)有多大的偏離距離呢？這是很多人不曾設(shè)想的問題。上世紀(jì) 90 年代中國天文學(xué)家南仁東和他的同事通過計(jì)算，只要選擇合適的交比，一個(gè) 300 米的拋物面，跟球面偏離只有 0.47 米，大概是 1.5 ‰左右，這很多人出乎意料。也就是這 0.47 米的偏離，成為了 FAST 建立的基石。

有了這個(gè)概念之后，就可以先建一個(gè)基準(zhǔn)球面，稍微改變一下反射面形狀（0.47米），就可以在這個(gè)球面上形成一個(gè) 300 米的拋物面。當(dāng)我們在觀測不同的天區(qū)的時(shí)候，只需要在不同的位置形成拋物面就可以，余下的問題就怎么把接收機(jī)以正確的姿態(tài)放在交點(diǎn)位置上就可以。

概念雖然簡單，但是完善卻花了大概十幾年的時(shí)間，這個(gè)拋物面到底怎么變形？用什么載體變形？接收機(jī)用什么方式控制到交點(diǎn)上？這都是一直在探索的。最后 FAST 的系統(tǒng)是這樣的：將近萬根鋼索形成的索網(wǎng)，掛在一個(gè) 500 米口徑的環(huán)梁上，這個(gè)索網(wǎng)有兩千多個(gè)主索位點(diǎn)，每個(gè)主索節(jié)點(diǎn)設(shè)置一根控制索，固定在地面的作動(dòng)器上?？茖W(xué)家通過作動(dòng)器控制就可以改變這個(gè)反射面形狀，在它局部區(qū)域形成 300 米的拋物面，上面有 6 套索驅(qū)動(dòng)，控制一個(gè) 30 噸的饋源艙，并在艙里面裝上接收機(jī)，把它控制到交點(diǎn)位置上。同時(shí)設(shè)立了20 臺(tái)全站儀，用來測量反射面形狀和接收機(jī)的位置姿態(tài)，保證了接收機(jī)姿態(tài)的控制。最后形成了 FAST 這架極其復(fù)雜的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。

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FAST 有多大？

我們都知道 FAST 的口徑是 500 米，那么它具體是多大呢？我們?nèi)绾谓o沒有親眼見過 FAST 的人量化“500 米口徑”這個(gè)概念呢？有一位同事提出了這樣一個(gè)說法：我們把 FAST 想象成一口鍋，在這口鍋里裝滿水，全球 70 億人，每個(gè)人都可以從這口鍋里分得 4 瓶礦泉水。

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FAST 的建造有哪些難點(diǎn)？

量變積累到一定程度就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)變，帶來的工程難度也是極大的， FAST 的索網(wǎng)建造就是一個(gè)難點(diǎn)。

用來支撐球面的索網(wǎng)是一個(gè)變形的載體，就像氣球一樣，需要把“索”當(dāng)成橡皮筋或者是彈簧來用。對于橡皮筋來說，可以拉長一倍甚至兩倍，但是鋼索的極限變形只有 3 ‰- 4 ‰，這個(gè)量是非常小的。

FAST 的拋物面有一部分是在球面下面，有一部分是在球面上面，也就是說連接拋物面的索網(wǎng)要向下拽拽得下來，向上松要松得上去。但是鋼索彈性變形只有 3 ‰- 4 ‰，向下拽的時(shí)候不能拽斷了，向上松的時(shí)候不能虛牽了，我們需要在 4 ‰的變形范圍內(nèi)，把“向下拽”和“向上松”這兩個(gè)功能全部實(shí)現(xiàn)，并且還要?jiǎng)倓偤?，兩邊留的余地都非常小?/p>

不僅如此，鋼索的加工精度也很重要，假設(shè)每根索引都長一毫米，最后索再松就松不上去了。此外，溫度的變化也要吃掉一部分彈性變形，所以整個(gè)索結(jié)構(gòu)加工的精度是極高的，而且留的余地是非常小，整個(gè)設(shè)計(jì)就像在一個(gè)獨(dú)木橋上在行走，你稍微偏一點(diǎn)這個(gè)項(xiàng)目就失敗了。

除此之外，為了保證沒有其他無線電信號(hào)的干擾，F(xiàn)AST 選址在了貴州偏遠(yuǎn)山區(qū)，很多大型設(shè)備無法進(jìn)場，所以大量的施工作業(yè)都是人手工完成的，還有包括 170 多米高的塔、38 米深的人工挖孔樁、近萬根鋼索都是在空中散拼的。這是凝結(jié)了我們勞動(dòng)人民的智慧和巧妙的施工方式才能完成的大型項(xiàng)目。

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FAST 的調(diào)試有哪些難點(diǎn)？

FAST 這套系統(tǒng)跟傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡是不一樣的，傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的拋物面跟交點(diǎn)上的接收機(jī)是天然匹配的，不管指向任何一個(gè)方向它都是天然匹配的。但對于 FAST 來說，它的反射面是 500 米跨度的索網(wǎng)、是近萬根鋼索編織成的復(fù)雜索網(wǎng)體系，上面是 600 米跨度的索驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，外面是 30 多噸的饋源艙。這兩套系統(tǒng)是完全獨(dú)立的，而且兩套系統(tǒng)都是柔性的控制系統(tǒng)，要在公里級(jí)的尺度上實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的定位精度，這是我們傳統(tǒng)工業(yè)體育場不曾遇到的，對于傳統(tǒng)的工程精度，500 米差 1 米，視覺上不會(huì)有任何影響，安全上也不會(huì)有任何影響。但是對于 FAST 來講，幾毫米的誤差都會(huì)讓天線效率下降。

此外，F(xiàn)AST 是在貴州野外多雨多霧的環(huán)境下工作，所有的測量控制都要有全天候?qū)崿F(xiàn)的能力，這意味著大量的光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)沒法全天候使用，所有東西都要重新考慮。為了保證 FAST 的全天候運(yùn)行能力，我們最后是采用的是衛(wèi)星定位測量系統(tǒng)、慣導(dǎo)和激光全站儀的融合測量技術(shù)。盡管激光全站儀在雨天霧天基本沒法工作，但是衛(wèi)星導(dǎo)航和慣導(dǎo)依然可以保證 FAST 全天候的運(yùn)行能力。

這套系統(tǒng)一方面將不同的測量手段結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)；另一方面在精度上也有提升，并且更重要的是提高了 FAST 的耐氣候能力。后續(xù)我們還用微波測距儀代替了激光全站儀。此外，我們還經(jīng)常把 GPS “倒過來”用，把基準(zhǔn)站作為天上的衛(wèi)星，反過來照饋源艙，這樣達(dá)到了全天候高精度的目的。

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FAST 有哪些成就？

從 1937 年到現(xiàn)在，射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)發(fā)展了近 90 年的時(shí)間，我們的“中國天眼”在宇宙望遠(yuǎn)鏡發(fā)展歷史上劃下了濃重的一筆，我們第一次站到了制高點(diǎn)，而且領(lǐng)先的不是一點(diǎn)點(diǎn)，在精度上領(lǐng)先了至少 2.5 到 3 倍的水平。

FAST 的靈敏度、全天候運(yùn)行能力，以及每年 6000 多個(gè)小時(shí)的觀測時(shí)長，都是我們一開始沒有想象到的。

FAST 不光是一個(gè)性能卓越的射電望遠(yuǎn)鏡，還是一臺(tái)非常好用的射電望遠(yuǎn)鏡。截至今日，科學(xué)家通過 FAST 發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量已經(jīng)超過 660 顆，這個(gè)數(shù)量是同一時(shí)期、國際上所有射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的 5 倍以上。同時(shí)，F(xiàn)AST 運(yùn)行兩年期間還幫助科學(xué)家們?nèi)〉昧艘恍┲匾目茖W(xué)成果，這些科學(xué)成果包括 5 篇發(fā)表在《自然》上的論文、1 篇發(fā)表在《科學(xué)》上的論文，其中一些科學(xué)成果還在 2021 年被《自然》評(píng)選為十大突破和發(fā)現(xiàn)。此外，2021 年中國兩院院士評(píng)選的十大科學(xué)進(jìn)展中也包含了 FAST 的成果。

在這些科學(xué)成果中，比較有意思是快速射電暴，這是 2007 年才發(fā)現(xiàn)的新天文現(xiàn)象?？焖偕潆姳┦窃谇Х种畮酌氲臅r(shí)間內(nèi)，發(fā)出太陽數(shù)天、甚至一整年的能量的一種現(xiàn)象?？茖W(xué)家很好奇快速射電暴的來源是什么，但是一直沒有清晰的探測到，直到具有超高靈敏度的 FAST 清晰地測到了電磁波偏轉(zhuǎn)角的變化——這意味著磁層結(jié)構(gòu)在這類天體中扮演著非常重要的角色，基本預(yù)測了它是來自遙遠(yuǎn)的磁星。

FAST 不僅可以用在科學(xué)研究，還可以用于實(shí)際應(yīng)用。比如將 FAST 跟主動(dòng)雷達(dá)配合的話，將有可能在一千公里級(jí)軌道上看到毫米級(jí)水平，即觀測到地球同步軌道上 50 毫米范圍內(nèi)的物體。要知道現(xiàn)在航天發(fā)射任務(wù)都依賴于碎片的通量模型，需要躲開碎片，找到合理的發(fā)射窗口。但是此前通量模型都是用國外的模型，但是有了 FAST，我們完全可以建立自主可控的通量模型。

此外，F(xiàn)AST 還可以幫助我們進(jìn)行近地天體預(yù)警。比如 2019 年，有一個(gè)小行星在地月六分之一距離與我們擦肩而過，人類之所以沒有測到，是因?yàn)樗鼇碜蕴柕姆较?，?qiáng)烈的太陽光讓我們無法清晰地用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測到小行星。但是如果用射電波段去觀測的話，就有可能更早的把它探測到，所以它將來將會(huì)是一個(gè)近地天體防御的重要的戰(zhàn)略支撐。

未來，F(xiàn)AST 還會(huì)帶給我們無數(shù)的想象，比如在 FAST 上加個(gè)發(fā)射裝置，又能做更多好玩的事情，讓我們一起期待“中國天眼”給我們帶來更多新奇的東西。

最后，讓我們向“中國天眼”的建造者們致敬！

本文根據(jù) FAST 總工程師姜鵬在星空講壇的演講整理