“天眼FAST”为什么fast？国家天文台发表文章介绍……

　　国家天文台微信公众号近日推送了一篇《“中国天眼FAST”为什么fast？》的文章，作者是原国家天文台台长、FAST工程经理部经理严俊和国家天文台天体物理在读博士王珅，文章介绍了“中国天眼”在工程建设、系统调适、测试成果等方面的惊人速度。

　　文章说，FAST快在工程建设没有延期一天！FAST快在调试阶段就开始系统发现新脉冲星！FAST快在调试阶段就已经开始进行科学研究，开展巡天观测！目前已经发现了80余颗脉冲星候选体！FAST快在预期在今年通过国家验收，转入常规观测与维护，开放设施与数据。

上百国际项目

排队申请合作

　　“中国天眼”坐落在贵州省黔南州平塘县，它的正式名称是500米口径球面射电望远镜，比美国305米最大口径射电望远镜阿雷西博综合性能提高约10倍。

  我们为什么需要大科学装置研究天文？严俊在文章中说，天文学的每一次重大突破都会在“不经意间”对整个基础学科乃至人类文明的进程带来巨大震撼和推动，而大科学装置带来的科技进步及影响很难用普通眼光来估计。

　　比如，对太阳黑子爆发活动的观测预报关乎发电厂和电网设备的安全；空间碎片的监测预警关乎在轨卫星的安全，进而影响国民的通讯和出行导航。“试想一下，如果没有长期细致的观测记录，精准快速的计算模型，哪怕只是短暂发生的太阳风暴和极小的空间碎片，都会造成电网中断、卫星失灵，给国民的生产生活带来不可估量的损失。”

  有意思的是，它的英文名称（Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope）首字母缩写为FAST，和“快”的英文单词fast正好巧合。

  从建设来说，国家批准FAST工程建设周期为5.5年，从2011年3月5日开工报告批复之日起，到2016年9月25日如期竣工，不多不少。

  而调试速度和试观测成果的表现，无疑是FAST又快又好的最好说明。

  从调试来说，通常大型望远镜的调试期一般超过4年。“美国绿岸GBT望远镜（100米）花了6年，意大利SRT望远镜（64米）超过5年，而“中国天眼”计划的调试期只有3年。”

  在不断校准的过程中，中国天文学家们争分夺秒进行科学观测，望远镜还不能移动，就采用漂移扫描的方式，让地球自转带着“中国天眼”巡天。建成不到一年，就实现精确的跟踪观测模式，通过和其他望远镜的观测结果对比，验证了“中国天眼”的超高灵敏度和望远镜效率。

  这归功于国家天文台脉冲星搜索团队提前准备。望远镜竣工前一年，团队就开始集中处理澳大利亚帕克斯（Parkes）望远镜的公开数据，对团队成员进行相应的观测及数据处理训练，开发创新搜索软件和数据库。当“中国天眼”开始调试时，采用三套流程同时处理数据，并通过国际合作开展相关的后随观测。

  调试核心组包括七个专业小组和一个保障小组。部分设备的调试早在FAST完全建成之前就已经开始了，在调试阶段开始不久，2个关键调试就已经顺利完成。在“中国天眼”面板尚未安装完毕时，相应的信号处理后端及模拟观测也已经在同步进行中了。这样做的好处是可以提前训练了观测团队，模拟了观测流程，检验了相应的观测程序，最终保证了“中国天眼”一建成就马上可以开始观测。

  2016年9月25日，在“中国天眼”竣工仪式上，习近平总书记发来的贺信提出，希望FAST“早出成果，多出成果，出好成果，出大成果”。目前，FAST发现的80余颗脉冲星候选体中，已经确认50余颗新脉冲星，包括数颗毫秒脉冲星。

  中国科学家争分夺秒，外国科学家也不甘落后。虽然FAST还没有验收，各国天文科学家已经纷纷排队申请合作。文章透露，截至2月28日，“中国天眼”第一批观测申请超过100个项目，首席科学家来自21个研究单位。这个速度简直是世界天文望远镜设备使用的奇迹！

独家插曲

为什么调试时间没有提前

　　关于调试时间，记者还有一个独家插曲。2017年10月，记者在北京撰写FAST项目的发起者、首席科学家、总工程师南仁东（已故）先进事迹巡回报告时，严俊透露，预计调试工作将于2018年底结束通过验收。记者写完稿件后发送电子邮件等待他确认，但是没有回复。

  后来，记者再次遇到严俊，他坦承没有看邮件，“邮件太多了，看不过来。”同时，他解释说，团队的压力已经够大了，最好不报道，能提前当然更好，不能提前也可以，免得给团队压力太大。

  的确，“中国天眼”的调试速度已经够快了。

　　如何理解这个调试速度？从时间上来说，“中国天眼”的调试时间只有同行的40-60%。但是，从难度上来说，“中国天眼”系统更为复杂。

  传统全可动望远镜最大口径是100米，超过这一极限，望远镜会因为自重和风荷载引起形变。而“中国天眼”的口径是500米，两者在口径上不是一个量级。

  从超级口径来说，只有美国阿雷西博望远镜能够和“中国天眼”作比较，但是，前者的反射面是固定的，后者却能像眼珠子一样灵活转动。原因在于，FAST的索网结构可以移动变化，一会儿球面一会儿抛物面，能在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面，从而极大地提升观测效率。

  主动反射面是中国天眼的重大创新，这项伟大的构思由天文科学家邱育海提出。1998年，邱育海《天体物理学报》发表论文，阐述了具有主动主反射面的巨型球面射电望远镜的构思。

  FAST调试组组长姜鹏说，“中国天眼”具有超高的灵敏度和大覆盖天区，它使中国制造的望远镜在灵敏度这个技术指标上，站在世界制高点。“中国天眼”单一的系统可能都是完美的，但放在一起就不一定了，让它能正常工作仍是非常难的。对整个望远镜进行整体联调，不光馈源舱，还包括反射面，包括整个“视网膜”和“瞳孔”的协同。它有大量的运动部件和机械装置，必须努力降低望远镜故障对望远镜观测性能的影响，保证它随时想看就能看，想看什么就能看什么，还要尽量减少风、雨、雾对它的观测时长的影响。

  也就是说，“中国天眼”系统更复杂而调试难度更大，但调试速度依然更快，这就意味着，对欧美同行实现了双重超越。

中国骄傲

如何后发赶超SKA

　　事实上，“中国天眼”的发起，和SKA项目有关。

  SKA是平方公里射电阵（SquareKilometreArray)的缩写，这是一个巨型射电望远镜阵列，由数千个较小的碟形天线构成。

  1991年，国际天文学家在日本东京召开会议提出，要在人类活动制造的电磁波污染太空之前，抢先建设大型射电望远镜。这就有了SKA的初步设想，由2500面15米口径的碟型天线及超过100万个低频天线等单元组成，分布在3000公里的范围内。

  南仁东获悉后，提出中国也要建设自己的大射电望远镜。

  也就是说，FAST和SKA同时动议，区别在于，SKA是世界最大的在建综合孔径射电望远镜，FAST是世界上最大的单口径射电望远镜。

  2004年，FAST完成选址；而SKA一直到2012年才完成选址论证，并在南非和澳大利亚各有优势的情况下作出双台址的决策。

  有意思的是，就在严俊感慨“‘中国天眼FAST’为什么fast”的前一天，进展缓慢的SKA项目发布了最新消息。

  3月12日，中国、澳大利亚、意大利、荷兰、葡萄牙、南非、英国等七个创始成员国12日在意大利罗马正式签署SKA天文台公约，这被视为SKA一个重要里程碑。

  罗马传来的消息说，SKA将分阶段建设，第一阶段预计2020年底开工，2027年左右完工；剩余望远镜单元将在第二阶段建设，2030年后全部建成。

  事实上，关于SKA动工建设的消息已经推迟过好几次了。假如这一次的消息是确凿的，SKA从动议到最终建成将耗时40年，而FAST总耗时为26年。从建设时间来说，SKA首期7年，第二期10年，合计17年；而FAST建设时间为5.5年。

  尽管FAST比SKA快得多，但中国并不是SKA的旁观者，相反，SKA和中国有密切的关系。这是继国际热核聚变实验之后，中国参加的第二大国际大科学工程，更重要的是，这是中国参加的首个从项目酝酿、建设、管理均全程参与并扮演重要角色的国际大科学工程。

  当然，SKA预算20多亿美元，它的反射面总面积高达100万平方米，是FAST的4倍。两者的工程地理环境和地质条件也不同，直接对比也许不够科学。但是，不言而喻的是，时间上的进度对比足以说明，FAST之所以后来居上，和中国科学家、贵州人民主动作为的强烈意识以及后发赶超的精神是分不开的。

  毫无疑问，“中国天眼”让中国天文学研究实现了跨越式的发展。从1933年央斯基（Jansky）研究射电辐射起，86年来，产生6项相关的诺贝尔奖。而中国，直到1990年，最大的射电望远镜口径才25米！所以，FAST的名称，包含着中国天文学家追赶世界射电研究前沿的急迫心情，快一点！再快一点！

  这种只争朝夕的心情也是贵州人的心情。所以，贵州省和黔南州总结提出了“追赶、领先、跨越”的FAST精神。这也是中央和国务院对贵州的希望，2012年国发2号文件就明确指出，“进一步促进贵州经济社会又好又快发展，是加快脱贫致富步伐，实现全面建设小康社会目标的必然要求。”

  值得骄傲的是，“中国天眼”几乎完美地演绎了这种赶超精神。

来源：国家天文台微信公众号

编辑：陈大炜  周梓颜

编校：许峰

统筹：王琳

签发：骆明