500m口徑球面射電望遠鏡（FAST）

南仁東 姜鵬

1 射電天文學與射電天文望遠鏡

光和廣播電視信號都是以光速傳播的電磁波，區(qū)別只在波長。天體的輻射覆蓋整個電磁波段，從低頻無線電一直到高能X射線和伽馬射線。地球大氣為人類觀測宇宙開了兩個窗口，窗口波段之外的輻射被完全或部分屏蔽，這些輻射需要空間觀測?？梢姽獯翱诘牟ㄩL范圍是4000～7000 ?，中心的黃綠光波長4500 ?，太陽在這一波長輻射最強，肉眼對于這一波長也最為敏感，生命科學用進化論解釋這一巧合。大氣對波長毫米至幾十米的電磁波也是透明的，這扇門只有在人類發(fā)明了無線電技術(shù)之后才被發(fā)現(xiàn)。千百年來人類只是通過可見光波段觀測宇宙，對天體輻射的性質(zhì)只能是一孔之見，X射線、紫外線、可見光與無線電波段所拍攝的太陽圖像根本不同。

1933年美國貝爾實驗室的央斯基，在研究跨大西洋電報通訊的雷暴干擾時，天空某個區(qū)域的電磁波干擾源和日月星辰一樣有東升西落的性質(zhì)，經(jīng)確認是來于銀河系中心的電磁輻射，以光學為傳統(tǒng)的天文學從此揭開新一頁。射電天文奉獻了20世紀四大天文發(fā)現(xiàn)：脈沖星——證認了預(yù)測的中子星；類星體——有類似恒星的小角徑，星系尺度質(zhì)量能量，顯示早期星系演化的激烈過程；星際分子——改寫早期生命起源；3k宇宙微波背景輻射——為大爆炸宇宙模型提供觀測證據(jù)。射電天文觀測成就了6項諾貝爾物理學獎，成為新思想新發(fā)現(xiàn)的搖籃，豐厚的科學產(chǎn)出深刻地影響人類對自然的認識。

由于工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子學和計算機高新領(lǐng)域的進步，天文科學研究、通信產(chǎn)業(yè)以及國家安全需求的推動，射電天文探測能力發(fā)展到了鮮為人知的水平。其相對帶寬超過10000，為光學的5000倍；分辨角，即觀測天體細節(jié)的能力比所有其他波段至少高出3個數(shù)量級；其靈敏度為1×10-30W/（Hz·m2）。有好事者估計，70多年來全世界射電望遠鏡接收的天體輻射能量，翻不動一頁書。閱讀宇宙邊緣的信息需要巨大口徑的射電天文望遠鏡。

2 望遠鏡FAST的設(shè)計與建設(shè)內(nèi)容簡介

FAST為一架口徑500 m，利用已有的喀斯特洼坑為臺址，反射面能主動變形的球面射電望遠鏡。

與國際已有的巨型單口徑相比，有3點重要主要創(chuàng)新：① 找到地球上最大最圓的喀斯特洼坑，且工程地質(zhì)水文地質(zhì)的條件都合適望遠鏡建設(shè)的臺址；② 在喀斯特洼地內(nèi)鋪設(shè)500 m口徑的主動反射面球冠，通過主動控制在觀測方向形成300 m口徑瞬時拋物面，將電磁波匯聚在焦點上，關(guān)鍵之處是選擇了約0.46的焦比，在300 m的照明區(qū)，拋物面與中性球面之間的差別只有0.67 m，通過廉價的機電控制很容易調(diào)整這樣微小的位移，一旦反射面的這一部分變成了拋物面，即可使用傳統(tǒng)望遠鏡的接收技術(shù)，實現(xiàn)寬頻帶觀測；③ 在500 m巨大的空降尺度，處于焦點處的接收機與反射面之間不可能剛性聯(lián)接，如果采用Arecibo望遠鏡的指向跟蹤平臺方案，其重量會超過萬噸，沒有可行性。多年來發(fā)展了光機電一體化的索拖動技術(shù)，使用6根鋼索將接收機的饋源艙拖到焦點處，附加一個精調(diào)機器人抵消鋼索的震動，實現(xiàn)高精度的指向跟蹤。在饋源艙內(nèi)配置多波段多波束饋源和覆蓋頻率70 MHz～3 GHz的接收機系統(tǒng)；針對科學目標建設(shè)不同用途的終端設(shè)備。

3 望遠鏡的科學意義與應(yīng)用價值

3.1 基礎(chǔ)研究方向的科學意義

FAST涵蓋廣泛的天文學內(nèi)容，從宇宙初始混濁、暗物質(zhì)暗能量與大尺度結(jié)構(gòu)、星系與銀河系的演化、恒星類天體、乃至太陽系行星與鄰近空間事件等的觀測研究，它都具有非此莫屬的競爭力。FAST擬回答的科學問題不僅是天文的，也是面對人類與自然的，它潛在的科學產(chǎn)出也許我們今天還難以預(yù)測。

（1）巡視宇宙中的中性氫——研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化。宇宙的重子物質(zhì)含76%氫和24%氦，氫是宇宙中最古老、最簡單和最豐富的元素?；鶓B(tài)中性氫原子不同取向的電子之間能級躍遷會在21 cm波長輻射電磁波?！坝钪娴娜繗v史是用微弱的21厘米氫譜線寫成的，要閱讀它需要非常靈敏的望遠鏡”。不同紅移的21 cm背景輻射能為我們提供有關(guān)大爆炸之后的暗紀、宇宙早期物質(zhì)分布、天體的誕生及其演化、星系際和星際介質(zhì)的分布和運動等內(nèi)容豐富的信息。對中性氫21 cm譜線的觀測研究一直是射電天文研究產(chǎn)出最豐厚的領(lǐng)域之一。對一小時積分時間盲探，F(xiàn)AST可將宇宙觀測距離延伸至60億光年距離，對早期活動星系周圍暖氫云，可回溯至110億光年距離，重現(xiàn)宇宙童年時期的圖像。

（2）觀測脈沖星——研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律。脈沖星是20世紀60年代天文四大發(fā)現(xiàn)之一。脈沖星的質(zhì)量密度高得驚人，每立方厘米達億噸；其磁場強度可超過地球磁場的十萬億倍；它是具有太陽質(zhì)量的天體，其旋轉(zhuǎn)速度竟達到1122 r/s，它們的輻射常常覆蓋從高能到射電輻射的電磁波譜，脈沖星所提供的極端物理條件在地面實驗室無法實現(xiàn)。脈沖星和脈沖雙星的研究由于確認了中子星及間接證明引力輻射的存在，分別獲1974年和1993年諾貝爾物理學獎。迄今已發(fā)現(xiàn)脈沖星1900余顆。FAST具有高靈敏度和大天區(qū)覆蓋，有利于發(fā)現(xiàn)更多脈沖星，特別是發(fā)現(xiàn)更多弱脈沖星、毫秒脈沖星、脈沖雙星、雙脈沖星系統(tǒng)、脈沖星行星系統(tǒng)、河外強脈沖星、非球狀星團毫秒脈沖星等罕見品種。根據(jù)計算機仿真，F(xiàn)AST使用多波束饋源作1 h積分時間的巡視，能用1年時間發(fā)現(xiàn)4000余顆未知的脈沖星。在這樣巨大的脈沖星巡天樣本中，也許會找到目前尚未發(fā)現(xiàn)而可能存在的新品種，例如中子星—黑洞雙星，這一系統(tǒng)中兩顆致密天體的運動不受環(huán)境介質(zhì)影響、沒有相互的質(zhì)量交流、不必考慮它們之間的潮汐作用，可以不依賴模型更好地檢驗引力理論，直接精確求解黑洞的質(zhì)量。如果探測到自旋周期小于0.5 ms的奇異星或者夸克星，將終止“中子星與夸克星”久而未決爭論，幫助人類認識超核密度物態(tài)規(guī)律。計算分析肯定，F(xiàn)AST運行早期有能力在M31和M33中探測到第1顆真正的河外脈沖星。中性氫與脈沖星巡視被國內(nèi)外天文界評審為FAST兩個最高優(yōu)先級科學目標。

（3）主導國際甚長基線干涉測量網(wǎng)——獲得天體超精細結(jié)構(gòu)。有FAST參加的洲際VLBI網(wǎng)觀測，基線檢測靈敏度可提高5倍。網(wǎng)的分辨率不僅取決于最長基線的長度同時也和它的權(quán)重相關(guān)，F(xiàn)AST處在所有國際網(wǎng)的邊緣，有它參加的VLBI網(wǎng)有更高的分辨率。

（4）探測星際分子——探索太空生命起源。FAST設(shè)計工作帶寬內(nèi)包含羥基OH、甲醇CH3OH等12種分子譜線。可對超強紅外星系、高紅移星系、活動星系和類星體進行OH、CH3OH分子超脈澤的廣泛搜尋。天文學家在紅移為0.6處探測到了最亮的OH超脈澤，用的是Arecibo望遠鏡。如果用FAST，它可在z～1處被探測到。如果將望遠鏡指向獵戶分子云，可期待發(fā)現(xiàn)新的與生命現(xiàn)象相關(guān)的含碳長鏈有機分子。

（5）搜索星際通信信號——尋找地外文明?！暗厍驑O限生命環(huán)境”的不斷改寫、地外水以及大量系外行星的發(fā)現(xiàn)，使太空生命科學研究持續(xù)升溫。尋找地外文明（SETI）的學科風險是不言而喻的，但它一旦成功，將使人類所有的科學成就黯然失色，發(fā)達國家政府與民間對SETI的投入從未止步。和美國SETI研究所的鳳凰計劃相比，F(xiàn)AST可將其類太陽星巡視目標擴大至少5倍。

3.2 FAST在國家重大需求方面有重要應(yīng)用價值

把我國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高幾十倍。脈沖星到達時間測量精度由目前的120 ns提高至30 ns，成為國際上最精確的脈沖星計時陣，為自主導航這一前瞻性研究制作脈沖星鐘。進行高分辨率微波巡視，以1 Hz的分辨率診斷識別微弱的空間訊號，作為被動戰(zhàn)略雷達為國家安全服務(wù)?？勺鳛椤白游绻こ獭钡姆窍喔缮⑸淅走_接收系統(tǒng)，提供高分辨率和觀測效率；跟蹤探測日冕物質(zhì)拋射事件，服務(wù)于太空天氣預(yù)報。

FAST建設(shè)涉及了眾多高科技領(lǐng)域，如天線制造、高精度定位與測量、高品質(zhì)無線電接收機、傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理、超寬帶信息傳輸、海量數(shù)據(jù)存儲與處理等。FAST關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于諸多相關(guān)領(lǐng)域，如大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量、大型工業(yè)機器人研制以及多波束雷達裝置等。FAST的建設(shè)經(jīng)驗將對我國制造技術(shù)向信息化、極限化和綠色化的方向發(fā)展產(chǎn)生影響。

4 結(jié)束語

自1994年起，F(xiàn)AST的預(yù)研究歷時15年，由中國科學院國家天文臺主持，全國20余所大學和研究所的百余位科技骨干參與其中。得到了中國科學院知識創(chuàng)新工程首批重大項目、重要方向性項目以及國家自然科學基金重點項目的經(jīng)費支持。FAST有5項關(guān)鍵技術(shù)都已完成了分析論證和模型試驗。

2005年11月中國科學院院長辦公會決議，通過了FAST項目立項建議的匯報；2006年3月基礎(chǔ)局主持召開“FAST項目國際評估與咨詢會”；2007年7月國家發(fā)展和改革委員會批復(fù)FAST立項建議書；2008年10月國家發(fā)展和改革委員會批復(fù)FAST的可行性研究報告，總投資6.67億人民幣，項目工期自開工報告5.5年；2008年12月FAST初步設(shè)計報告和投資概算通過了由中國科學院和貴州省發(fā)改委主持的專家評審；2008年12月26日FAST在貴州臺址大窩凼奠基，工程進入建設(shè)實施階段。

索網(wǎng)的合攏與調(diào)試、索驅(qū)動聯(lián)調(diào)、反射面吊裝、測控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、接收機研制、觀測基地建設(shè)等都在2015年完成。FAST建設(shè)初期已取得的關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于諸多相關(guān)領(lǐng)域，如大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量、大型工業(yè)機器人研制以及多波束雷達裝置等。FAST攻克了超大跨度、超高精度、主動變位工作模式索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，通過對超高疲勞性能鋼索結(jié)構(gòu)的研制實現(xiàn)了特種索材料的突破。這對我國甚至世界范圍內(nèi)的索結(jié)構(gòu)工程技術(shù)都起到巨大的提升作用。

FAST解決了動光纜的反復(fù)彎曲、扭轉(zhuǎn)等運動工況的疲勞壽命及光纜運動狀態(tài)下的信號附加衰減的問題。FAST還制造了許多適應(yīng)復(fù)雜施工條件和大跨度安裝困難的工藝設(shè)備。在此過程中，形成了許多具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，提升了我國許多企業(yè)的生產(chǎn)、制造及安裝水平。FAST的建設(shè)經(jīng)驗將對我國制造技術(shù)向信息化、極限化和綠色化的方向發(fā)展產(chǎn)生影響，已經(jīng)并將繼續(xù)為我國的經(jīng)濟建設(shè)和重大需求領(lǐng)域做出貢獻。

有了FAST，邊遠閉塞的黔南喀斯特山區(qū)將變成世人矚目的國際天文學術(shù)中心，F(xiàn)AST成為把貴州展現(xiàn)給世界的新窗口。以FAST為主體的天文科普基地建設(shè)將推進我國西部、甚至全國的科普工作，教育青少年、向公眾與決策層宣傳，為科教興國的長遠戰(zhàn)略目標服務(wù)。2016年9月，世人矚目的FAST呈現(xiàn)在全世界的面前，相信FAST的建成將帶來諸多驚喜，為我們的國家?guī)砀鄻s耀。