FAST是怎樣煉成的

喻業(yè)釗 張逸

如今，提起“中國天眼”，可謂是家喻戶曉了。它的正式名稱是“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡”，英文名為Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope（簡稱FAST）。FAST是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，通常意味著用以接收電磁波的面積越大，望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率和靈敏度也就越高，能觀測更小、更暗的天體。那么，我國天文學(xué)家為什么要建這么一個(gè)望遠(yuǎn)鏡呢？難道就只是為了爭一個(gè)“世界之最”？當(dāng)然不是。FAST的起源，遠(yuǎn)比一般人想象中的復(fù)雜。

事情要從1993年說起。那年，第24屆國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)在日本東京舉行。會(huì)上，包括中國在內(nèi)的10個(gè)國家的天文學(xué)家共同倡議，想要在人類科技將地球的電磁環(huán)境徹底污染之前，建造一個(gè)接收面積達(dá)到1平方千米的射電望遠(yuǎn)鏡陣列。這個(gè)計(jì)劃剛提出來時(shí)稱作“大望遠(yuǎn)鏡”，后來更名為“平方千米陣列（Square Kilometer Array，簡稱SKA）”。

對(duì)于“平方千米陣列要如何建設(shè)”的疑問，不同的國家提出了諸多的設(shè)計(jì)方案。這些設(shè)計(jì)方案大致可以分為兩大類：一類是以荷蘭、美國方案為代表的“大量小望遠(yuǎn)鏡”方案;另一類是以我國、加拿大方案為代表的“少量大望遠(yuǎn)鏡”方案。其中，在1994年，我國提出的方案KARST（Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope，即平方千米面積射電綜合望遠(yuǎn)鏡）計(jì)劃在貴州南部大片的喀斯特地貌中尋找大小合適的洼地，利用這些洼地建造大約30個(gè)有效口徑200米的大射電望遠(yuǎn)鏡組成的望遠(yuǎn)鏡陣列，以實(shí)現(xiàn)SKA設(shè)計(jì)目標(biāo)。KARST這個(gè)縮寫，本身就是“喀斯特”的英文單詞，正好與KARST方案利用天然喀斯特地貌的特點(diǎn)相呼應(yīng)。寫到這兒，大家應(yīng)該也都能猜到了，F(xiàn)AST應(yīng)該就是KARST方案中的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡。猜得沒錯(cuò)。那KARST方案中剩下的20多個(gè)望遠(yuǎn)鏡呢？讓我們繼續(xù)往下講。

1994年，中國天文學(xué)家剛提出“平方千米陣列”方案時(shí)，就指出要利用天然的喀斯特洼地群。1995年，西安電子科技大學(xué)的段寶巖院士提出了饋源索驅(qū)動(dòng)的概念。當(dāng)時(shí)，世界上相似類型的大望遠(yuǎn)鏡僅有美國阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡一例。但是，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡懸掛饋源的平臺(tái)是固定不動(dòng)的，也就是說吊著饋源平臺(tái)的索纜是不用伸縮運(yùn)動(dòng)的。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡饋源的位置調(diào)整，需要依靠饋源平臺(tái)上大型的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致阿雷西博整個(gè)饋源平臺(tái)重達(dá)900噸?；诙螌殠r院士提出的饋源索驅(qū)動(dòng)方案，我國望遠(yuǎn)鏡的饋源是依靠調(diào)整吊著饋源的索纜長度實(shí)現(xiàn)的（還要有額外的精調(diào)機(jī)構(gòu)）。饋源索驅(qū)動(dòng)方案可以大幅降低饋源平臺(tái)的重量，但頻繁調(diào)整索纜長度會(huì)縮短索纜的使用壽命，對(duì)索纜的抗疲勞能力要求很高。一言蔽之，KARST單元的實(shí)現(xiàn)方案存在著一定的不確定性。為了增強(qiáng)KARST方案的競爭力，驗(yàn)證其方案的可行性，1996年，中國天文學(xué)家提出先建設(shè)KARST方案中預(yù)定的30個(gè)大望遠(yuǎn)鏡中的一個(gè)。而這個(gè)望遠(yuǎn)鏡就是后來的FAST。1997年，北京天文臺(tái)（現(xiàn)在的國家天文臺(tái)）的天文科學(xué)家邱育海提出主動(dòng)反射面概念，即用于觀測的反射面區(qū)域，可以從原本的球面變?yōu)閽佄锩?。至此，F(xiàn)AST的整體設(shè)計(jì)概念確立。

早期的FAST 設(shè)計(jì)方案概念圖，其中包含利用天然喀斯特洼地、饋源索驅(qū)動(dòng)（當(dāng)時(shí)方案為3 個(gè)支撐塔）和主動(dòng)反射面（紅色區(qū)域?yàn)槭纠淖冃螀^(qū)域）。

KARST 項(xiàng)目在貴州南部選出的部分候選臺(tái)址，不同顏色的點(diǎn)表示該洼地由對(duì)應(yīng)數(shù)目的山峰所圍成。

與此同時(shí)，我國天文學(xué)家也在尋找適合放置KARST望遠(yuǎn)鏡的洼地。1994年，時(shí)任北京天文臺(tái)副臺(tái)長的南仁東找到遙感與數(shù)字地球研究所（以下簡稱：遙感所）的領(lǐng)導(dǎo)協(xié)助選址。當(dāng)時(shí)遙感所的領(lǐng)導(dǎo)為南仁東推薦了專門做洼地研究的聶躍平。聶躍平是貴州省黔南布依族苗族自治州獨(dú)山縣人，他敏銳地意識(shí)到，就在他的家鄉(xiāng)貴州黔南，應(yīng)該就有KARST項(xiàng)目所需要的洼地。聶躍平帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)利用遙感數(shù)據(jù)在貴州南部找出了400多個(gè)洼地。但因?yàn)楫?dāng)時(shí)遙感數(shù)據(jù)精度較差，只有幾十米，這些洼地究竟哪些能符合要求，還得實(shí)地確認(rèn)。他們通過地圖對(duì)比，在這400多個(gè)洼地中選出了100多個(gè)，然后一個(gè)個(gè)地進(jìn)行實(shí)地考察。

1999年，KARST先導(dǎo)單元——FAST獲得中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程的支持，由概念預(yù)研究轉(zhuǎn)入實(shí)驗(yàn)研究階段。2000年8月10日，在英國曼徹斯特召開的國際天文學(xué)會(huì)大會(huì)上，中國、澳大利亞、加拿大、德國、印度、意大利、荷蘭、波蘭、瑞典、英國和美國共11個(gè)國家聯(lián)合成立了“國際平方千米陣執(zhí)行委員會(huì)”。當(dāng)時(shí)，國外媒體報(bào)道了這一喜訊，并公布了當(dāng)時(shí)的5種技術(shù)方案。其中，我國的KARST方案名列榜首。

國外媒體對(duì)“國際平方千米陣執(zhí)行委員會(huì)”的成立進(jìn)行的報(bào)道。左側(cè)5 張圖片為當(dāng)時(shí)“平方千米陣”的5 種實(shí)現(xiàn)方案，最上方為我國的KARST 方案。

FAST 項(xiàng)目奠基碑，碑后刻有詩文：“北筑鳥巢聚圣火，南修窩凼落星辰”。

到2004年，“國際平方千米陣執(zhí)行委員會(huì)”篩選出4個(gè)候選臺(tái)址，其中一個(gè)就是我國的KARST方案。2005年，國際平方千米陣電磁波環(huán)境監(jiān)測小組分別對(duì)這4個(gè)候選臺(tái)址展開了6～8周的環(huán)境監(jiān)測。到2006年，“澳大利亞-新西蘭方案”和“南非-非洲8國方案”被優(yōu)選出來。而我國的KARST方案落選，不再參與國際競爭。

KARST方案的落選，主要的問題并不在方案本身，而在于平方千米陣被提出的10多年間，隨著科技的發(fā)展，天文學(xué)家對(duì)平方千米陣提出了更多的科學(xué)目標(biāo)，其技術(shù)指標(biāo)也隨之改變。一開始，平方千米陣的科學(xué)目標(biāo)主要是高紅移中性氫，所以其觀測頻率上限只要求達(dá)到1.4吉赫茲，且最初平方千米陣中最遠(yuǎn)2個(gè)望遠(yuǎn)鏡之間的距離只要求達(dá)到300千米。后來，隨著科學(xué)目標(biāo)的增加，觀測頻率上限提高到了22吉赫茲。對(duì)空間分辨率要求的提高，使得對(duì)最遠(yuǎn)2個(gè)望遠(yuǎn)鏡的距離要求提高到了3000千米。我國的KARST方案顯然無法達(dá)到要求。這是因?yàn)橘F州多陰雨天氣，會(huì)影響10吉赫茲以上的射電天文觀測。此外，貴州喀斯特地貌的分布也遠(yuǎn)沒有3000千米那么廣闊，難以承載那么大的陣列。

雖然KARST項(xiàng)目最終沒能成為平方千米陣的實(shí)現(xiàn)方案，但我們前文提到的在1999年就已經(jīng)獲得中國科學(xué)院支持的KARST先導(dǎo)單元FAST項(xiàng)目還是繼續(xù)得到了推進(jìn)。2007年7月，F(xiàn)AST項(xiàng)目獲得國家發(fā)展和改革委員會(huì)的批復(fù)正式立項(xiàng)。2008年10月，國家發(fā)展和改革委員會(huì)批復(fù)FAST項(xiàng)目可行性研究報(bào)告。2008年12月26日，F(xiàn)AST項(xiàng)目正式奠基。隨后，該項(xiàng)目相繼完成征地拆遷、修建進(jìn)場道路等工作。2011年1月23日，F(xiàn)AST臺(tái)址開挖開工儀式舉行。2013年12月，F(xiàn)AST圈梁鋼結(jié)構(gòu)合攏。2014年11月，F(xiàn)AST饋源支撐塔通過竣工驗(yàn)收。2015年2月，F(xiàn)AST索網(wǎng)合攏。2015年11月，F(xiàn)AST饋源艙（當(dāng)時(shí)使用的不是真正的饋源艙，而是一個(gè)代替品）首次升艙，饋源艙?？科脚_(tái)通過驗(yàn)收。2016年7月，F(xiàn)AST反射面板鋪設(shè)完成，F(xiàn)AST主體完工。2016年9月25日，F(xiàn)AST項(xiàng)目竣工。

經(jīng)過多次優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終建設(shè)完成的FAST望遠(yuǎn)鏡與最初的設(shè)計(jì)方案并不完全一致。我們現(xiàn)在看到的FAST望遠(yuǎn)鏡主要由反射面（即所謂的“大鍋”）、6架饋源塔和饋源艙（有時(shí)被通俗地稱為FAST的“眼珠子”）3部分組成。那么，F(xiàn)AST又是怎樣接收外太空信號(hào)的呢？

結(jié)合FAST望遠(yuǎn)鏡的光路圖，我們來了解一下它的工作原理。在光路圖中，最下方黑色曲線表示望遠(yuǎn)鏡反射面（直徑為500米，呈球面）。反射面上方的黑色虛曲線表示望遠(yuǎn)鏡焦面。當(dāng)FAST觀測不同位置的天體時(shí)，饋源（圖中綠色、紅色多邊形）要移動(dòng)到焦平面上相應(yīng)的位置。觀測的時(shí)候只使用對(duì)應(yīng)區(qū)域直徑300米范圍的反射面板。以光路圖中觀測S1處的星星為例，由饋源塔發(fā)出的6根鋼纜伸縮變化，移動(dòng)饋源艙。饋源艙中的精調(diào)機(jī)構(gòu)再做精細(xì)調(diào)節(jié)，最終將饋源定位在光路圖中綠色多邊形對(duì)應(yīng)的位置。饋源向著反射面有一個(gè)120度的張角，張角范圍內(nèi)的反射面板會(huì)在索網(wǎng)和觸動(dòng)器的共同作用下變形為一個(gè)拋物面（紫色虛曲線）。這時(shí)，從S1處發(fā)出的平行光會(huì)被紫色虛線的拋物面反射并匯聚到饋源處。饋源就如同一部收音機(jī)，會(huì)將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并經(jīng)過放大、濾波等處理，然后將信號(hào)傳送到觀測中心進(jìn)行進(jìn)一步的處理和儲(chǔ)存。

FAST望遠(yuǎn)鏡光路圖

雖然FAST只是未能實(shí)現(xiàn)的KARST項(xiàng)目中極小的一部分，但當(dāng)時(shí)在提出FAST的時(shí)候，我國天文學(xué)家們就清楚地認(rèn)識(shí)到，我們應(yīng)該使得FAST能獨(dú)立擁有強(qiáng)大的觀測能力。當(dāng)時(shí)世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡是美國阿雷西博天文臺(tái)的305米射電望遠(yuǎn)鏡。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡和FAST一樣都是固定式望遠(yuǎn)鏡，它的口徑雖說有305米，但實(shí)際使用的時(shí)候一般只能用到200米左右。另外，它只能觀測天頂角（距離天頂?shù)慕嵌龋┬∮?0度左右的范圍。而FAST望遠(yuǎn)鏡有效口徑達(dá)到300米，觀測天頂角最大可到40度。不管是靈敏度還是觀測范圍，F(xiàn)AST都超過阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。

FAST落成之后，的確沒讓大家失望。強(qiáng)大的靈敏度讓它即使還處于調(diào)試階段，就發(fā)現(xiàn)了上百顆未知的脈沖星，還能對(duì)一些已知的脈沖星做更好的觀測。開放國內(nèi)觀測申請之后，F(xiàn)AST還在快速射電暴的觀測上取得了重大成果，其中有2篇相關(guān)文章刊登在了國際著名的《自然》雜志上。如今，F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡正按著設(shè)計(jì)者的構(gòu)想，獨(dú)立于KARST項(xiàng)目作出重要的貢獻(xiàn)。2021年4月1日，F(xiàn)AST向國際開放觀測申請，相信會(huì)有越來越多的重要觀測成果出現(xiàn)。

致謝：本期專題感謝貴州省普通高等學(xué)校青年科技人才項(xiàng)目（編號(hào)：黔教合KY字[2019]214）、黔南民族師范學(xué)院高層次人才研究專項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：QNSY2019RC01）支持。

名詞卡片

饋源：它是指望遠(yuǎn)鏡用來接受宇宙信號(hào)的裝置系統(tǒng)。如果把FAST比作一只眼睛，那么饋源就相當(dāng)于它的視網(wǎng)膜，所有收集到的宇宙信號(hào)都要匯集到這里。