你了解“中国天眼”FAST吗

2016年9月25日，500米口径的球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称为FAST）在贵州省平塘县正式建成。FAST被称为“中国天眼”，它是目前世界上最大最灵敏的单口径射电望远镜。这样一个“巨无霸”有什么过人之处，又有哪些用途，你知道吗？

射电望远镜知多少

说起望远镜，我们第一印象都是那种长筒形的光学望远镜。但射电望远镜与光学望远镜的外形截然不同，射电望远镜在外观上完全像雷达天线。此外，射电望远镜和光学望远镜分别处理波长不同的电磁波，射电望远镜接收的是无线电波，而光学望远镜接收的是可见光。

射电望远镜使用镜面反射无线电波。无线电波的波长较长，故而对镜面的精度要求较低。射电望远镜使用抛物面天线将无线电波反射汇聚到一个焦点上，利用接收机接收放大并转换为更直观的数据。1931年，美国贝尔实验室使用雷达天线接收到银河系中心的无线电波，后来，美国天文学家格罗特·雷伯专门制造了一部天线用于观测天空，射电望远镜和射电天文学应运而生。

为什么要这么大

500米口径的射电望远镜给人的第一印象是大，一般人绕着它走一圈需要数十分钟，而镜面接收面积则相当于30个足球场那么大。FAST利用了贵州独特的天然喀斯特洼地地形，这种得天独厚的优势，让它突破了普通射电望远镜百米口径的工程极限，也使得它能确保未来几十年的领先地位。毕竟它的前辈——美国阿雷西博射电望远镜依托地形创造的305米口径纪录，就已经独步世界几十年了。

千方百計将射电望远镜做这么大，其实是因为有迫切的科学需求。为了接收和区分遥远星体发出的微弱的无线电波，射电望远镜的口径逐渐增加。更大的口径意味着更大的接收面积，也就能汇聚到更多的电波，从而具备了更高的灵敏度。FAST比德国波恩的100米口径射电望远镜的灵敏度提高约10倍，与被评为人类20世纪十大工程之首的阿雷西博射电望远镜相比，FAST的灵敏度提高约2.25倍，综合性能提高约10倍。高灵敏度的FAST可以“倾听”到宇宙大爆炸早期的电波，为我们重建宇宙早期的图像提供依据。

你不知道的新技术

——主动反射面技术

抛物面可以把电磁波汇聚在一个点上，而球面只能把电磁波汇聚在一条线上。为了进行观测，阿雷西博射电望远镜设计了二次镜反射的馈源舱，将信号汇聚在一个点上，但这个馈源舱重达数百吨，设计制造和维护都极其麻烦。

FAST使用了主动反射面技术来解决电磁波汇聚的问题，这也是FAST最大的自主创新技术。FAST的球面反射镜由近万根钢索组成主体结构，具有2400个连接节点和4600个反射单元。它通过节点下方的下拉索和促动器可以调整每一个反射单元的位置，从而具备主动调整反射镜面的能力。这样一来，当我们想观测某一方向的目标时，只需要调整对着这个目标范围内的反射单元，构成一个局部的抛物面反射镜面就可以了。正是因为使用了这种独特的主动反射面技术，FAST可以观测天顶约40度角范围的天空，而阿雷西博射电望远镜只能覆盖天顶约20度角范围的天空。尽管主动反射面技术解决了问题，却也让FAST付出了一定代价，它的口径虽然达500米，但其实际观测的等效口径只有300米。不过鉴于FAST灵活的观测能力，付出这样的代价也是值得的！

开启更深入的宇宙探索

作为当今最大最先进的单口径射电望远镜，FAST不仅能用来进行天文观测，还能参与对地外文明的搜寻，以及作为深空探测器信号的接收站。具体来说，FAST可以观测到宇宙边缘的中性氢谱线，探求宇宙早期的历史和起源。FAST还将开展对地外生命的搜寻，目前著名的地外文明搜寻计划SETI项目便已经和FAST开展合作，有望利用强大的FAST搜寻到外星人信号。此外，利用FAST，深空探测器回传数据的接收能力可以提高100倍之多，因此可以把我国的深空通信能力延伸到太阳系的边缘。我国预计将于2020年发射火星探测器，此探测器将飞到最远4亿千米的地方，而FAST将有望在接收数据和测定轨道等领域大显身手。

科学家们还发现，如果使用甚长基线干涉技术，可以用多个距离较远的射电望远镜“拼合”出一个等效口径更大的射电望远镜，实现更高的分辨率，这就是所谓的射电望远镜阵列，它是射电望远镜的发展方向之一。FAST便是我国为了参与竞争著名的平方公里阵列望远镜而实施的技术先导项目。将来，大口径的FAST和小口径射电天线阵列联合后，既能看到天体超精细的结构特征，又能看到大尺度的结构，可以说是一个完美的组合。