500米口徑球面射電望遠鏡

賴迪輝

1608年，荷蘭眼鏡商利普希制造了人類歷史上第一架望遠鏡，意大利物理學家伽利略在 1609年發(fā)明了世界上第一架能放大32倍的望遠鏡，并用它對準了月球，天文望遠鏡因此而誕生。隨著人類技術的進步，天文望遠鏡不斷衍生出新的分支類型，射電望遠鏡應運而生。曾經，世界領先的射電望遠鏡總是落戶國外，直到2016年，500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）在我國貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼建成，終結了這段歷史。FAST被譽為“中國天眼”，由我國天文學家南仁東于 1994年提出構想，中國科學院國家天文臺主導建設，具有我國自主知識產權，是現在世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。

FAST具體參數

口徑：500米

高差：173米

面積：約等于30個足球場

性能指標：靈敏度是德國波恩100米望遠鏡的10倍，綜合性能是美國阿雷西博300米望遠鏡的10倍

建設時間：22年（1994 年至2016年）

觀測系統

對整個FAST進行動態(tài)控制與基準校對，控制觀測的精度

主動反射面

近30個足球場大，由4450塊三角形半透明半鏤空反射面板組成，每塊重450千克左右，厚度約1.3毫米，布滿小孔

饋源艙

采用柔索支撐技術，拖動饋源艙在球冠面運動，不存在方向上的死角，同時利用艙內Stewart平臺實現毫米級高精度定位

索網

索網結構口徑500米，共有6670根主索，2225個主索節(jié)點和相同數量的下拉索，總重1300多噸，主索節(jié)點位置精度達到5毫米

圈梁

鋼結構圈梁長度1600米，消耗鋼材5600噸

存儲系統

短期內運算速度每秒200萬億次以上，存儲容量需求10PB以上

饋源支撐塔

共6座，最高168米，用來支撐30噸重的饋源艙

射電天文望遠鏡的誕生與射電天文學密不可分。射電中“電”是無線電波的意思，進一步說，射電天文學是研究天體發(fā)出的無線電信號的學科，而射電信號的發(fā)現則是個偶然事件。1931年，在美國新澤西州貝爾實驗室專門負責搜索和鑒別電話干擾信號的美國人楊斯基發(fā)現來自銀河中的射電輻射。當時他使用的是長 30.5米、高3.66米的旋轉天線陣。此后，射電望遠鏡的發(fā)展史便是不斷提高分辨率和靈敏度的過程。楊斯基于 1950年逝世，年僅45歲。在他短暫的一生中，他一直致力于射電天文學的研究，即使是在世界大戰(zhàn)期間也沒有中斷。他被認為是射電天文學的奠基人。

自從楊斯基宣布接收到銀河的射電信號后，美國人雷伯潛心試制射電望遠鏡，他在美國伊利諾伊州的自家后院架設起私人射電望遠鏡，這是一架在第二次世界大戰(zhàn)以前全世界獨一無二的拋物面型射電望遠鏡。雷伯在 1938年成功確認了楊斯基的發(fā)現，并于 1941年完成無線電頻率的巡天地圖，射電天文學從此誕生。雷伯被稱為“拋物面型射電望遠鏡之父”。在第二次世界大戰(zhàn)以后，由于建造軍用雷達而得到空前發(fā)展的微波通信技術轉移到射電天文學，推動了射電天文學的發(fā)展，陸續(xù)建成了一批大型毫米波和厘米波射電望遠鏡。

在光學望遠鏡的時代，人們僅能看到天體的光學形象，射電望遠鏡向人們展現了天體的另一面——“射電形象”。光波容易受到塵埃等物種的干擾，而射電信號則基本不會受到上述干擾，因此它的傳播范圍很大。射電天文學為現代天文學做出了巨大貢獻。20世紀60年代天文學的四大發(fā)現——類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射，都是用射電手段觀測到的。迄今有10項諾貝爾物理學獎授予天文學研究領域，射電天文學成就了其中6項，充分顯示了這門新興學科的強大生命力。

射電望遠鏡觀測宇宙示意圖

在FAST誕生之前，世界上很多國家都對射電望遠鏡的建設傾注了大量熱情，例如位于美國新墨西哥州的甚大陣射電望遠鏡，它由27臺25米口徑接收器構成。位于赤道附近的波多黎各的美國阿雷西博射電望遠鏡，反射面口徑350米，是FAST建成前全世界最大的單口徑球面射電望遠鏡，樣子很像FAST的孿生兄弟?？上У氖?，美國國家自然科學基金表示將逐年削減阿雷西博的經費，如今阿雷西博銹跡斑斑，更像一個垃圾場，這位昔日明星的窘境令人唏噓不已。此外，還有南半球最大的拋物面射電望遠鏡——口徑64米的澳大利亞帕克斯射電望遠鏡，德國波恩的100米口徑可轉動拋物面射電望遠鏡等。

20世紀60年代，我國的射電天文學研究起步時，只有一些觀測太陽射電的小型設備。在老一輩天文學家的不懈努力下，我國相繼建成了一批射電望遠鏡，包括北京密云綜合孔徑射電望遠鏡、青海德令哈13.7米毫米波射電望遠鏡、上海佘山65米射電天文望遠鏡、烏魯木齊南山25米射電望遠鏡等。因為射電天文的技術發(fā)展需求，上海天文臺建設了VLBI（甚長基線干涉測量技術）實驗室，紫金山天文臺建設了毫米波與亞毫米波技術實驗室，國家天文臺總部建設了射電天文實驗室并在后來發(fā)展成為大射電望遠鏡技術實驗室。為充分發(fā)揮國內射電天文設備的觀測效益、促進射電技術的發(fā)展，在各臺站及其實驗室的基礎上，中國科學院還成立了射電天文重點實驗室。

2016年FAST正式建成后，到目前已有十幾個國家的上百名科學家前往或申請前往當地進行科研活動。FAST的建設還帶動了貴州省的裝備制造業(yè)、鋁制品深加工業(yè)的發(fā)展，貴州高校也陸續(xù)建立了天文學人才培育基地。平塘打造了以天文科普為主題的特色旅游基地——國際天文小鎮(zhèn)，吸引了大量游客前來，帶動了當地經濟發(fā)展。

太空探索不僅給人類提供了一面審視自己的鏡子，還為人類帶來全新的技術、挑戰(zhàn)和積極進取、樂觀自信的精神。FAST成就所代表的“追趕、領先、跨越”的科研精神，將成為推動天文學不斷前進的內生動力，成為人類科技創(chuàng)新永不熄滅的火種！

SKA計劃

由于射電望遠鏡的特殊工作原理，隨著人類無線電通信技術的日益發(fā)展，射電望遠鏡很可能越來越難以“聽清”來自宇宙的信號。于是，中國、美國、俄羅斯、澳大利亞、法國、德國、印度等 10個國家的射電天文學家提出一個超級大射電望遠鏡計劃，希望趕在地球無線電環(huán)境惡化之前盡可能發(fā)現更多的天體射電信號。該計劃取名為“Square Kilometre Array”，簡稱 SKA計劃，它是FAST項目最初的建造原因。

“天眼”選址學問多

FAST之所以建在貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼的喀斯特洼坑中，主要有以下原因：

1.大窩凼地貌最接近FAST設計造型，工程開挖量比較小。

2.喀斯特地貌特征可以保障雨水向地下滲透，不會在表面淤積而損壞、腐蝕望遠鏡。

3.使用射電望遠鏡時需要將無線電干擾盡量減少到最低，大窩凼周邊 5千米左右范圍內沒有鄉(xiāng)鎮(zhèn)，無線電環(huán)境理想。

4.大窩凼洼地邊坡結構穩(wěn)定不會坍塌，也沒有大的地震影響。

FAST發(fā)現的兩顆脈沖星示意圖

“天眼”的大發(fā)現

2017年10月，FAST發(fā)現了兩顆新脈沖星，距離地球約為 4100光年和1.6萬光年，這是我國射電望遠鏡首次發(fā)現脈沖星，也是世界上發(fā)現的最遠的脈沖星，這項成果足以證明FAST功能的強大。這一發(fā)現立刻引起了全球天文學界的關注，連西方媒體都發(fā)表評論稱“這是國際天文學界最令人激動的一個事件?！苯刂聊壳?，FAST已經接收到眾多遙遠宇宙信號，探索到了多達6顆脈沖星。它的研究成果還將助力觀測暗物質和暗能量以及引力波等現象。毫不夸張地說，FAST的出現，讓中國天文學站到了世界天文學前列。