要做 大哥 的中国天眼，你了解多少？|南仁东|阿雷西|望远镜

2021-06-30 00:10:02　来源: 了不起的中国制造
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导语：2020年12月1日，受多年老化及维护不利影响，位于波多黎各的美国“天眼“——阿雷西博射电望远镜发生严重坍塌事故，并永久停止了运行。
　　阿雷西博射电望远镜口径达305米，始建于1963年，曾是世界上最大的射电望远镜。自中国”天眼”FAST建成后，便一直与之并誉为“地球的双眼”。但自2016年起，政府中止了每年1200万美元的望远镜维护拨款，进而导致美国永远失去了这一顶尖的单体望远镜。
　　
　　坍塌的阿雷西博射电望远镜 图源：浙江日报
　　与之相反的是，自2017年投入运行以来，中国“天眼”FAST已经在天文学科研究中发挥了世界独一无二的重要作用，并迫使欧洲在谈判中将其列入中国必须开放的科研工具。这一中国奇观的建成，背后离不开南仁东老先生23年间的持续贡献。
　　
“咱们也建一个吧”
　　1963年，清华大学无线电系迎来了吉林省理科状元——南仁东。随后南仁东师从王绶琯，获得中国科学院理学博士学位，并投身与天文学的研究之中。在多年的科研生涯中，南仁东四处奔波，排队数年以借用其他国家的射电望远镜已成为家常便饭，复杂繁琐的使用权申请与他国科学家的排斥，让南仁东内心感到深深的疲惫和忧虑。
　　1993年，在日本国际无线电科学联盟大会上，科学家们商议在全球电波环境继续恶化之前，建造新一代射电望远镜，以接收更多来自外太空的讯息。会后，南仁东向中科院提议道：“咱们也建一个吧”，并于1994年7月提出了“500米口径球面射电望远镜”(Five-hundred-meterAperture Spherical radio Telescope，FAST)的工程概念。
　　
　　南仁东先生在天眼项目现场 图源：http://kp.cnhubei.com/kpgzz/201901/t4211358.shtml
　　随后12年间，南仁东带着300多张地形数据图走遍了中国的大江南北，亲自敲定了FAST项目的立项、选址、设计与施工。并参与了FAST项目中天文、力学、材料、机械、无线电等技术的研发与应用。终于，2016年9月25日FAST项目竣工启用，南仁东已经在“建设世界最大的射电望远镜”这件事上耕耘了二十二年。
　　
　　FAST示意图（图源：新华社，https://www.163.com/dy/article/G4OL07B60514R9L4.html）
　　
未来20年内世界最大、最灵敏的射电天文望远镜
　　常见的天文望远镜按照探测目标来分类，主要包括射电望远镜（探测无线电）、光学望远镜（探测可见光）、红外线、X射线、伽玛射线望远镜等。其中射电望远镜又可分为球面射电望远镜、抛面射电望远镜、带形射电望远镜和望远镜阵（把单个射电望远镜连起来，收集单个望远镜的数据）等。其中，FAST归类于能够自动聚焦变形的球状射电望远镜。
　　FAST位于贵州省平塘县的一处喀斯特洼地中，直径500m，占地面积约30个足球场大，天顶覆盖角度为40°ï¼Œå·¥ä½œé¢‘率为70MHz－3GHz，是世界上仅有的规模最大，也是最灵敏的巨型射电望远镜，其已被列入中国九大科技基础设施之一。
　　
　　中国天眼 图源：www.mafengwo.cn
　　FAST项目由基础的喀斯特洼地、依托地表建设的索网主动反射面结构，以及悬挂在中心的馈源支撑系统组成。在喀斯特洼地的独特选址，大幅减少了望远镜项目的工程量，并增加了望远镜的直径。依托地表搭建的主动反射面结构，通过电动液压杆与地面连接，这使FAST能够按照接受信号的方向自由改变发射角，并在观测方向形成300米口径瞬时抛物面汇聚电磁波，在地面改正球差，以实现宽带和全偏振。通过钢索与六座支撑塔连接的馈源舱与其中的精调并联机器人，能够基于先进的双靶互瞄模式实现对太空信号的自动对准，并将工程测量精度提高至4mm级别。
　　
　　FAST结构示意图[1]
　　FAST射电望远镜在运行过程中，通过6座百米高的支撑塔对馈源舱的调节，以及对主反射镜的控制，来主动变形聚焦接收电磁波信号，并能够将几平方米至几千平方米的信号聚拢到一点上。
　　中国拥有FAST的全部自主知识产权。与号称地球最大的德国波恩100米望远镜对比，FAST的灵敏度提高了10倍；与美国Arecibo 300米望远镜相比，其综合性能提高约2.5倍以上（现已垮塌）。它将对国际同类设备保持20年以上的领先水平。
　　
星际旅行前置黑科技——宇宙中的GPS
　　FAST工程的核心目标，在于搜寻与发现射电脉冲星。脉冲星是一种处于快速自转状态的中子星，特征在于能够周期发射电磁脉冲信号。脉冲星的自转周期极其稳定，信号周期性的精确度远高于原子钟，因此脉冲星能够用于在宇宙航行中进行空间与时间的高精度校准。但由于脉冲星的信号暗弱，易被人造电磁干扰淹没，需要借助具有极高灵敏度的FAST望远镜来进行探索与观测，即科幻电影中常见的“星图定位导航”。
　　除观测脉冲星外，FAST还将承担巡视宇宙中的中性氢、主导国际VLBI网、探测星际分子、搜寻星际通讯信号等四大科学目标，并实现空间飞行器的测控与通讯、脉冲星计时阵和自主导航、非相干散射雷达接收系统、高分辨率微波巡视等四大应用目标[2]。FAST的运行，为未来可能的星际旅行点出了“前置黑科技”。
　　
　　FAST观测脉冲星(图源：中科院之声，https://zhuanlan.zhihu.com/p/29980759)
　　2021年5月，国家天文台研究团队利用中国天眼FAST望远镜在观测中取得的重要进展，正式发布了201颗新发现的脉冲星。此外，FAST观测得到的数据为40多篇高水平学术论文提供了支撑，其中包括发表在世界顶级刊物《自然》上对快速射电暴方面的研究成果[3]。
　　与此同时，FAST将于2021年4月1日起面向全球开放。来自世界各地的研究机构与独立科学家可提交完善的研究计划申请，在通过由全球顶尖天文学家组成的联合评议后，共同分享超过5000小时的FAST观测时间。中国对FAST这一全球仅有的顶尖天文设备的无国界共享行为，再次证明了中国包容开放的大国心态，也彰显了中国与国际科学的充分合作理念，将为人类探索宇宙起源与认识宇宙未知做出了巨大的贡献。
　　值得一提的是，FAST目前也以预约制的形式面向游客开放，每天限流2000人。据统计，2017年FAST地区的旅游营收为46亿元，远超FAST本身6.7亿元的建设成本。
　　
结语：
　　中国“天眼”FAST的全球开放、公开评议与无国界信息共享，将使其成为中国最为重要的世界名片之一。同时，国家天文台在FAST单镜位的基础上，提出了中国未来射电望远镜群的项目规划，力求将中国在天文学界的领先地位保持下去。
　　
参考文献
　　[1] Nan,Rendong. "Five hundred meter aperture spherical radio telescope(FAST)." Science in China series G 49, no. 2 (2006): 129-148.
　　[2] FAST工程介绍. 姚蕊，工程项目汇报. 2020.11.
　　[3] http://m.news.cctv.com/2021/05/20/ARTITbcsRRpOz2yr033pTxGL210520.shtml
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