[科普中國]-解密FAST望遠(yuǎn)鏡的領(lǐng)先之處

從20世紀(jì)30年代初到現(xiàn)今，人類打開了天文觀測(cè)的新窗口，通過非傳統(tǒng)光學(xué)波段接收來自宇宙中的電波信號(hào)，獲取、分析各種信息。
2015年8月2日，貴州喀斯特洼地建造的500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST）第一塊檢測(cè)合格的反射面單元在工程現(xiàn)場(chǎng)成功吊裝，這標(biāo)志著世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡施工進(jìn)入最后沖刺階段。
一、什么是FAST大型天文望遠(yuǎn)鏡
射電望遠(yuǎn)鏡（FAST——Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope）是國家科教領(lǐng)導(dǎo)小組審議確定的九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，采用獨(dú)創(chuàng)設(shè)計(jì)，利用貴州喀斯特洼地的獨(dú)特地形，建設(shè)的500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（FAST），約30個(gè)足球場(chǎng)地大的高靈敏巨型射電望遠(yuǎn)鏡。
FAST大型天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)展脈絡(luò):早在1997年，LT（SKA）中國推進(jìn)委員會(huì)提出建造。1998年，F(xiàn)AST項(xiàng)目委員會(huì)正式成立。選址在貴州黔南，因?yàn)榈孛沧罱咏麱AST造型，工程開口量最小，喀斯特洼地雨水向下滲透不會(huì)腐蝕望遠(yuǎn)鏡。附近的5千米半徑內(nèi)沒有鄉(xiāng)村，是最理想的無線電建設(shè)環(huán)境。
2015年8月2日，F(xiàn)AST首塊反射面單元吊裝成功。它的建成，將成為世界最大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡。

二、望遠(yuǎn)鏡的分類和FAST射電望遠(yuǎn)鏡優(yōu)勢(shì)
天文望遠(yuǎn)鏡按照探測(cè)的電磁波分類，分為射電望遠(yuǎn)鏡（探測(cè)無線電）、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡（探測(cè)可見光）、紅外線、X射線、伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡。
射電望遠(yuǎn)鏡按照形態(tài)分，可以分為球面射電望遠(yuǎn)鏡、拋面射電望遠(yuǎn)鏡、帶形射電望遠(yuǎn)鏡和望遠(yuǎn)鏡陣（把單個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡連起來，收集單個(gè)望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)）。射電望遠(yuǎn)鏡的作用主要是測(cè)量天體射電強(qiáng)度、放大射電信號(hào)接收機(jī)、信息記錄處理顯示系統(tǒng)、收集射電波的定向天線、測(cè)量頻譜、偏振量等。

拋面的射電望遠(yuǎn)鏡和球面的射電望遠(yuǎn)鏡的區(qū)別在于，當(dāng)電磁波平行入射，拋面的射電望遠(yuǎn)鏡把電磁波聚焦在一個(gè)點(diǎn)上，球面射電望遠(yuǎn)鏡只能把電磁波聚焦在一條線上。

FAST射電望遠(yuǎn)鏡屬于球面，望遠(yuǎn)鏡四周有6座百米高的支撐塔，用鋼索吊起了饋源艙。射電望遠(yuǎn)鏡，通過反射聚焦，把幾平方米到幾千平方米的信號(hào)聚攏到一點(diǎn)上。FAST射電望遠(yuǎn)鏡的一大創(chuàng)新點(diǎn)，是能主動(dòng)反射電磁波，在采集數(shù)據(jù)上相對(duì)進(jìn)步了許多。
FAST想要實(shí)現(xiàn)鏡面式拋物面，進(jìn)而能一次性將電磁波匯聚成點(diǎn)，因此整個(gè)望遠(yuǎn)鏡鏡面是由很多塊小面板拼成，每一塊都能在一定的范圍內(nèi)調(diào)整位置（如下圖右）。

中國擁有FAST的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。與號(hào)稱地球最大的機(jī)器德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡對(duì)比，F(xiàn)AST的靈敏度提高了10倍；與美國Arecibo 300米望遠(yuǎn)鏡相比，其綜合性能提高約2.25倍(美國Arecibo 300米望遠(yuǎn)鏡被評(píng)為人類20世紀(jì)十大工程之首)。它將對(duì)國際同類設(shè)備保持20年以上的領(lǐng)先水平，能夠?qū)γ}沖星、類星體等各種暗弱輻射源進(jìn)行更精密觀測(cè)，也有可能找到宇宙中存在的其他生命體。
三、FAST射電望遠(yuǎn)鏡的創(chuàng)新
前面提到，射電望遠(yuǎn)鏡按照形態(tài)分，可以分為球面射電望遠(yuǎn)鏡、拋面射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST射天望在設(shè)計(jì)之初，設(shè)定了500m的直徑，比FAST的前輩——Arecibo 305m 望遠(yuǎn)鏡要有進(jìn)步。它的主射面整體是不可動(dòng)的，如果被設(shè)計(jì)成拋面，只能被動(dòng)觀測(cè)掃過它的視場(chǎng)內(nèi)源，這對(duì)于巨大的積分面積、靈敏程度的優(yōu)化都是沒有益處的。但是球面設(shè)計(jì)也有缺點(diǎn)，球面射電望遠(yuǎn)鏡只能把電磁波聚焦在一條線上。
FAST射電望遠(yuǎn)鏡的創(chuàng)新就是主動(dòng)接受電磁波。在主反射鏡的每個(gè)面板上加入實(shí)時(shí)主動(dòng)的控制技術(shù)，如上文所提到的，整個(gè)望遠(yuǎn)鏡鏡面是由很多塊小面板拼成，通過主動(dòng)變形技術(shù)實(shí)時(shí)把面板形成有效照明口徑300米、焦比0.4665的旋轉(zhuǎn)拋物面，主動(dòng)聚焦，增加有效的積分面積，同時(shí)還可以增加觀測(cè)俯仰范圍，增加有效積分時(shí)間。

FAST的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)的信號(hào)，聚集在藥片大小的空間里。確保鋼結(jié)構(gòu)不變形就是一大挑戰(zhàn)，框架、索網(wǎng)、接收器，每一部分的位移都要控制在毫米級(jí)，F(xiàn)AST才能正常工作。選址在喀斯特地形下常見的“天坑”里，遠(yuǎn)離人煙，也是為了更好、更精準(zhǔn)地確定信號(hào)的位置。
當(dāng)然，以上的創(chuàng)新，只是FAST的部分創(chuàng)新。FAST在前輩射電望遠(yuǎn)鏡基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)，相信未來會(huì)有非常出色的表現(xiàn)。