观察 | “中国天眼”将大大拓展人类认知宇宙的视野

2020年1月11日， 由中国科学院国家天文台主导建设的500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，以下简称FAST）通过国家验收，标志着这项有“中国天眼”之称的重大工程项目正式交付国家使用，同时也将对国内天文学家开放。 

FAST是我国具有自主知识产权的，世界最大单口径的，最灵敏的射电望远镜。它的投入使用使得中国的天文学家终于有机会走到世界的最前沿。

望远镜的发展历史，其实就是追求灵敏度的历史。而更灵敏的望远镜则需要具备更大的口径，因为更大口径的望远镜意味着更大的收光面积，也就意味着更强的对暗弱信号的探测能力。这样天文学家就可以探测到更多的天体样本，观测到更遥远的宇宙现象。这对于我们研究宇宙的演化历史具有非常大的帮助。

但是自从1972年德国人在波恩将望远镜的口径做到100米之后，在近半个世纪内，采用传统工作方式的望远镜都很难大幅突破这个工程极限。1994年，以南仁东为代表的一批怀揣梦想和激情的中国科学家提出建造500米口径球面射电望远镜的设想。历时22年之后，FAST最终于2016年在贵州喀斯特洼地建成。从此，世界射电天文望远镜的历史开始由中国人改写。

“中国天眼”之父南仁东（1945-2017）

FAST的反射面相当于30个足球场。如果把它比喻成一口锅，装满水全世界每人可以分4瓶。这是常人难以想象的工程体量。在建造FAST的过程中，工程团队也克服了一系列常人难以想象的困难。

FAST的主体支撑结构是500米直径的圈梁和索网、6座挂在悬崖峭壁的百米钢塔、总面积25万平米的4450块反射面单元，其总重量近12000吨。在没有大型机械辅助的前提下，要在现场条件极其苛刻的山区完成毫米级精度的500米跨度结构安装，这是人类不曾遇到过的工程技术难题。为此，工程技术人员专门为FAST设计了极其特殊的安装方案。很多国际专家学者来FAST参观，不由感叹：只有中国能做得了FAST。

FAST全局俯瞰图

FAST设备构成极其复杂，近万根钢索与2000多台促动器组成的复杂耦合控制系统，使30个足球场大小的反射面能实时地根据天体目标的位置改变形状。而馈源定位则首次采用轻型索拖动馈源平台的方案，即通过控制六索索长，控制馈源舱根据观测需要在焦面上移动。馈源舱内还装有AB轴和并联机器人，可以进行二级调整以实现接收机高精度定位。这套世界上最大的柔索牵引并联机构，要将30吨重的馈源舱在140米的高空、206米的范围控制到毫米级的精度。巨大工程体量、超高精度要求及特殊的工作方式，造就了FAST调试所面临的技术挑战。

FAST全新工作方式使得调试工作几乎没有可参考的成熟经验，同时调试工作的安全风险极大，一个小失误就可能会让望远镜遭受灭顶之灾。为此，调试团队完成了一系列创新性的技术应用，例如基于力学仿真技术发展了反射面的实时控制系统、研制了基于全站仪、惯导、卫星导航的多系统数据融合测量技术，进而解决了望远镜调试所涉及的一系列测量、控制及安全评估等技术难题。

工作人员正在进行现场调试

FAST在2016年落成之后已经开始启用，接收来自宇宙深处的电磁波。截止到2019年12月，FAST已成功发现近200颗脉冲星优质候选体，其中超过百颗已通过验证。受益于FAST的超高灵敏度，我们已经能将国际脉冲星测时精度提升至少一个数量级，这将使人类有望首次具备探测纳赫兹引力波的能力。同时，FAST也将极大扩展射电波段可观测样本的数量，拓展人类认知宇宙的视野。

FAST接收到的某脉冲星发来的周期性电磁波信号

FAST在未来将帮助人类回溯宇宙最原初的影像，帮助我们理解快速射电暴这类最神秘天文现象的物理起源，让我们有机会发现更加奇异的天体，例如脉冲星-黑洞双星系统。那样人类就可以首次精确测量黑洞的质量，还可以在更极端的引力场条件下检验爱因斯坦相对论的正确性。

作者：姜鹏 国家天文台研究员，“中国天眼”总工程师

栏目：观点中国

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主编：刘倩

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