2016 年 9 月 25 日，被誉为“中国天眼”的 500 米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST）完工启用。停止至今年 7 月，“中国天眼”已经发现了 660 余颗新脉冲星。本日，正值“中国天眼”完工六周年，让我们跟随 FAST 的总工程师姜鹏，一起了解一下 FAST 的制作初志、到现在为止 FAST 都取得了什么样的科研结果，以及接下来 FAST 尚有大概会给我们带来什么。
01
FAST 都在观测什么？
FAST 是一台射电望远镜，会在射电波段观测太空。射电波段的发现源于一次非常偶然的事故，对于射电天文学的研究，让我们有四个非常重要的新发现，即脉冲星、星际分子、微波背景辐射、类星体。此中，对于脉冲星的观测就得到了包括中子星的发现和引力波两项诺贝尔奖。
02
FAST 诞生的“原动力”是什么？
想要得到更多、更细致的天文学数据，就需要有更大接受面积的望远镜，对于光学望远镜云云，对于射电望远镜亦是云云。更大的接收面积，意味着会有更强的暗、弱信号探测能力，可以扩大观测样本数目，可以提高发现奇特天文学征象的几率，同时还能看到更远的天文学征象。一般来讲越迢遥的天文学征象代表的是更早期的天文学征象，好比我们看到太阳是 8 分钟之前的，我们看到银河系边沿大概是十几万、二十万年前的，看到临近星系 M31 那是几万年前的，那么看到的类星体大概是一百多亿年前的，所以如果我们想看到更早期的宇宙征象怎么办？那只能朝更远的方向去看。
所以更大的望远镜对于我们回溯宇宙汗青有非常大的资助，而创建更大口径的望远镜，是科学家们永无止境的寻求，已往云云，如今云云，未来也将会云云。制作 FAST 的原动力，就是为了可以或许看得更远，为了可以或许回溯宇宙更迢遥的汗青。
03
FAST 有什么特点？
FAST 作为球面望远镜，与传统望远镜有所差别。传统望远镜都是接纳抛物面，将接收机放在抛物面的焦点上，就可以举行信号网络。那么球面和抛物面有什么区别呢？它们会有多大的偏离隔断呢？这是很多人不曾假想的问题。上世纪 90 年代中国天文学家南仁东和他的同事通过计算，只要选择合适的交比，一个 300 米的抛物面，跟球面偏离只有 0.47 米，大概是 1.5 ‰左右，这很多人出乎意料。也就是这 0.47 米的偏离，成为了 FAST 创建的基石。
有了这个概念之后，就可以先建一个基准球面，轻微改变一下反射面形状（0.47米），就可以在这个球面上形成一个 300 米的抛物面。当我们在观测差别的天区的时间，只需要在差别的位置形成抛物面就可以，余下的问题就怎么把接收机以正确的姿态放在交点位置上就可以。
概念虽然简单，但是完善却花了大概十几年的时间，这个抛物面到底怎么变形？用什么载体变形？接收机用什么方式控制到交点上？这都是一直在探索的。最后 FAST 的体系是这样的：快要万根钢索形成的索网，挂在一个 500 米口径的环梁上，这个索网有两千多个主索位点，每个主索节点设置一根控制索，固定在地面的作动器上。科学家通过作动器控制就可以改变这个反射面形状，在它局部区域形成 300 米的抛物面，上面有 6 套索驱动，控制一个 30 吨的馈源舱，并在舱里面装上接收机，把它控制到交点位置上。同时设立了20 台全站仪，用来测量反射面形状和接收机的位置姿态，包管了接收机姿态的控制。最后形成了 FAST 这架极其复杂的望远镜体系。
04
FAST 有多大？
我们都知道 FAST 的口径是 500 米，那么它详细是多大呢？我们怎样给没有亲眼见过 FAST 的人量化“500 米口径”这个概念呢？有一位同事提出了这样一个说法：我们把 FAST 想象成一口锅，在这口锅里装满水，环球 70 亿人，每个人都可以从这口锅里分得 4 瓶矿泉水。
05
FAST 的制作有哪些难点？
量变积累到一定程度就会产生质变，带来的工程难度也是极大的， FAST 的索网建作育是一个难点。
用来支持球面的索网是一个变形的载体，就像气球一样，需要把“索”当成橡皮筋或者是弹簧来用。对于橡皮筋来说，可以拉长一倍以致两倍，但是钢索的极限变形只有 3 ‰- 4 ‰，这个量黑白常小的。
FAST 的抛物面有一部门是在球面下面，有一部门是在球面上面，也就是说连接抛物面的索网要向下拽拽得下来，向上松要松得上去。但是钢索弹性变形只有 3 ‰- 4 ‰，向下拽的时间不能拽断了，向上松的时间不能虚牵了，我们需要在 4 ‰的变形范围内，把“向下拽”和“向上松”这两个功能全部实现，而且还要刚刚好，双方留的余地都非常小。
不光云云，钢索的加工精度也很重要，假设每根索引都长一毫米，最后索再松就松不上去了。别的，温度的厘革也要吃掉一部门弹性变形，所以整个索结构加工的精度是极高的，而且留的余地黑白常小，整个设计就像在一个独木桥上在行走，你轻微偏一点这个项目就失败了。
除此之外，为了包管没有其他无线电信号的干扰，FAST 选址在了贵州偏远山区，很多大型设备无法出场，所以大量的施工作业都是人手工完成的，尚有包括 170 多米高的塔、38 米深的人工挖孔桩、近万根钢索都是在空中散拼的。这是凝结了我们劳动人民的智慧和奥妙的施工方式才气完成的大型项目。
06
FAST 的调试有哪些难点？
FAST 这套体系跟传统望远镜是不一样的，传统望远镜的抛物面跟交点上的接收机是天然匹配的，不管指向任何一个方向它都是天然匹配的。但对于 FAST 来说，它的反射面是 500 米跨度的索网、是近万根钢索编织成的复杂索网体系，上面是 600 米跨度的索驱动结构，外面是 30 多吨的馈源舱。这两套体系是完全独立的，而且两套体系都是柔性的控制体系，要在公里级的尺度上实现毫米级的定位精度，这是我们传统工业体育场不曾碰到的，对于传统的工程精度，500 米差 1 米，视觉上不会有任何影响，安全上也不会有任何影响。但是对于 FAST 来讲，几毫米的误差都会让天线服从降落。
别的，FAST 是在贵州野外多雨多雾的环境下工作，全部的测量控制都要有全天候实现的能力，这意味着大量的光学测量实行没法全天候使用，全部东西都要重新思量。为了包管 FAST 的全天候运行能力，我们最后是接纳的是卫星定位测量体系、惯导和激光全站仪的融合测量技术。尽管激光全站仪在雨天雾天根本没法工作，但是卫星导航和惯导依然可以包管 FAST 全天候的运行能力。
这套系同一方面将差别的测量本领联合，实现了上风互补；另一方面在精度上也有提拔，而且更重要的是提高了 FAST 的耐气候能力。后续我们还用微波测距仪代替了激光全站仪。别的，我们还常常把 GPS “倒过来”用，把基准站作为天上的卫星，反过来照馈源舱，这样达到了全天候高精度的目标。
07
FAST 有哪些结果？
从 1937 年到如今，射电望远镜已经发展了近 90 年的时间，我们的“中国天眼”在宇宙望远镜发展汗青上划下了浓重的一笔，我们第一次站到了制高点，而且领先的不是一点点，在精度上领先了至少 2.5 到 3 倍的水平。
FAST 的灵敏度、全天候运行能力，以及每年 6000 多个小时的观测时长，都是我们一开始没有想象到的。
FAST 不光是一个性能良好的射电望远镜，还是一台非常好用的射电望远镜。截至今日，科学家通过 FAST 发现的脉冲星数目已经超过 660 颗，这个数目是同一时期、国际上全部射电望远镜发现脉冲星总数的 5 倍以上。同时，FAST 运行两年期间还资助科学家们取得了一些重要的科学结果，这些科学结果包括 5 篇发表在《天然》上的论文、1 篇发表在《科学》上的论文，此中一些科学结果还在 2021 年被《天然》评选为十大突破和发现。别的，2021 年中国两院院士评选的十大科学进展中也包罗了 FAST 的结果。
在这些科学结果中，比力故意思是快速射电暴，这是 2007 年才发现的新天文征象。快速射电暴是在千分之几秒的时间内，发出太阳数天、以致一整年的能量的一种征象。科学家很好奇快速射电暴的来源是什么，但是一直没有清楚的探测到，直到具有超高灵敏度的 FAST 清楚地测到了电磁波偏转角的厘革——这意味着磁层结构在这类天体中饰演着非常重要的脚色，根本预测了它是来自迢遥的磁星。
FAST 不光可以用在科学研究，还可以用于实际应用。好比将 FAST 跟主动雷达共同的话，将有大概在一千公里级轨道上看到毫米级水平，即观测到地球同步轨道上 50 毫米范围内的物体。要知道如今航天发射任务都依赖于碎片的通量模型，需要躲开碎片，找到公道的发射窗口。但是此前通量模型都是用国外的模型，但是有了 FAST，我们完全可以创建自主可控的通量模型。
别的，FAST 还可以资助我们举行近地天体预警。好比 2019 年，有一个小行星在地月六分之一隔断与我们擦肩而过，人类之所以没有测到，是由于它来自太阳的方向，强烈的太阳光让我们无法清楚地用光学望远镜观测到小行星。但是如果用射电波段去观测的话，就有大概更早的把它探测到，所以它将来将会是一个近地天体防御的重要的战略支持。
未来，FAST 还会带给我们无数的想象，好比在 FAST 上加个发射装置，又能做更多好玩的事情，让我们一起等待“中国天眼”给我们带来更多新奇的东西。
最后，让我们向“中国天眼”的制作者们致敬！
本文根据 FAST 总工程师姜鹏在星空讲坛的演讲整理
本文封面图片及文内图片来自版权图库
图片内容不授权转载
原创图文转载请背景回复“转载” |
