500米口径球面射电望远镜

赖迪辉

1608年，荷兰眼镜商利普希制造了人类历史上第一架望远镜，意大利物理学家伽利略在 1609年发明了世界上第一架能放大32倍的望远镜，并用它对准了月球，天文望远镜因此而诞生。随着人类技术的进步，天文望远镜不断衍生出新的分支类型，射电望远镜应运而生。曾经，世界领先的射电望远镜总是落户国外，直到2016年，500米口径球面射电望远镜（FAST）在我国贵州省平塘县克度镇大窝凼建成，终结了这段历史。FAST被誉为“中国天眼”，由我国天文学家南仁东于 1994年提出构想，中国科学院国家天文台主导建设，具有我国自主知识产权，是现在世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

FAST具体参数

口径：500米

高差：173米

面积：约等于30个足球场

性能指标：灵敏度是德国波恩100米望远镜的10倍，综合性能是美国阿雷西博300米望远镜的10倍

建设时间：22年（1994 年至2016年）

观测系统

对整个FAST进行动态控制与基准校对，控制观测的精度

主动反射面

近30个足球场大，由4450块三角形半透明半镂空反射面板组成，每块重450千克左右，厚度约1.3毫米，布满小孔

馈源舱

采用柔索支撑技术，拖动馈源舱在球冠面运动，不存在方向上的死角，同时利用舱内Stewart平台实现毫米级高精度定位

索网

索网结构口径500米，共有6670根主索，2225个主索节点和相同数量的下拉索，总重1300多吨，主索节点位置精度达到5毫米

圈梁

钢结构圈梁长度1600米，消耗钢材5600吨

存储系统

短期内运算速度每秒200万亿次以上，存储容量需求10PB以上

馈源支撑塔

共6座，最高168米，用来支撑30吨重的馈源舱

射电天文望远镜的诞生与射电天文学密不可分。射电中“电”是无线电波的意思，进一步说，射电天文学是研究天体发出的无线电信号的学科，而射电信号的发现则是个偶然事件。1931年，在美国新泽西州贝尔实验室专门负责搜索和鉴别电话干扰信号的美国人杨斯基发现来自银河中的射电辐射。当时他使用的是长 30.5米、高3.66米的旋转天线阵。此后，射电望远镜的发展史便是不断提高分辨率和灵敏度的过程。杨斯基于 1950年逝世，年仅45岁。在他短暂的一生中，他一直致力于射电天文学的研究，即使是在世界大战期间也没有中断。他被认为是射电天文学的奠基人。

自从杨斯基宣布接收到银河的射电信号后，美国人雷伯潜心试制射电望远镜，他在美国伊利诺伊州的自家后院架设起私人射电望远镜，这是一架在第二次世界大战以前全世界独一无二的抛物面型射电望远镜。雷伯在 1938年成功确认了杨斯基的发现，并于 1941年完成无线电频率的巡天地图，射电天文学从此诞生。雷伯被称为“抛物面型射电望远镜之父”。在第二次世界大战以后，由于建造军用雷达而得到空前发展的微波通信技术转移到射电天文学，推动了射电天文学的发展，陆续建成了一批大型毫米波和厘米波射电望远镜。

在光学望远镜的时代，人们仅能看到天体的光学形象，射电望远镜向人们展现了天体的另一面——“射电形象”。光波容易受到尘埃等物种的干扰，而射电信号则基本不会受到上述干扰，因此它的传播范围很大。射电天文学为现代天文学做出了巨大贡献。20世纪60年代天文学的四大发现——类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射，都是用射电手段观测到的。迄今有10项诺贝尔物理学奖授予天文学研究领域，射电天文学成就了其中6项，充分显示了这门新兴学科的强大生命力。

射电望远镜观测宇宙示意图

在FAST诞生之前，世界上很多国家都对射电望远镜的建设倾注了大量热情，例如位于美国新墨西哥州的甚大阵射电望远镜，它由27台25米口径接收器构成。位于赤道附近的波多黎各的美国阿雷西博射电望远镜，反射面口径350米，是FAST建成前全世界最大的單口径球面射电望远镜，样子很像FAST的孪生兄弟。可惜的是，美国国家自然科学基金表示将逐年削减阿雷西博的经费，如今阿雷西博锈迹斑斑，更像一个垃圾场，这位昔日明星的窘境令人唏嘘不已。此外，还有南半球最大的抛物面射电望远镜——口径64米的澳大利亚帕克斯射电望远镜，德国波恩的100米口径可转动抛物面射电望远镜等。

20世纪60年代，我国的射电天文学研究起步时，只有一些观测太阳射电的小型设备。在老一辈天文学家的不懈努力下，我国相继建成了一批射电望远镜，包括北京密云综合孔径射电望远镜、青海德令哈13.7米毫米波射电望远镜、上海佘山65米射电天文望远镜、乌鲁木齐南山25米射电望远镜等。因为射电天文的技术发展需求，上海天文台建设了VLBI（甚长基线干涉测量技术）实验室，紫金山天文台建设了毫米波与亚毫米波技术实验室，国家天文台总部建设了射电天文实验室并在后来发展成为大射电望远镜技术实验室。为充分发挥国内射电天文设备的观测效益、促进射电技术的发展，在各台站及其实验室的基础上，中国科学院还成立了射电天文重点实验室。

2016年FAST正式建成后，到目前已有十几个国家的上百名科学家前往或申请前往当地进行科研活动。FAST的建设还带动了贵州省的装备制造业、铝制品深加工业的发展，贵州高校也陆续建立了天文学人才培育基地。平塘打造了以天文科普为主题的特色旅游基地——国际天文小镇，吸引了大量游客前来，带动了当地经济发展。

太空探索不仅给人类提供了一面审视自己的镜子，还为人类带来全新的技术、挑战和积极进取、乐观自信的精神。FAST成就所代表的“追赶、领先、跨越”的科研精神，将成为推动天文学不断前进的内生动力，成为人类科技创新永不熄灭的火种！

SKA计划

由于射电望远镜的特殊工作原理，随着人类无线电通信技术的日益发展，射电望远镜很可能越来越难以“听清”来自宇宙的信号。于是，中国、美国、俄罗斯、澳大利亚、法国、德国、印度等 10个国家的射电天文学家提出一个超级大射电望远镜计划，希望赶在地球无线电环境恶化之前尽可能发现更多的天体射电信号。该计划取名为“Square Kilometre Array”，简称 SKA计划，它是FAST项目最初的建造原因。

“天眼”选址学问多

FAST之所以建在贵州省平塘县克度镇大窝凼的喀斯特洼坑中，主要有以下原因：

1.大窝凼地貌最接近FAST设计造型，工程开挖量比较小。

2.喀斯特地貌特征可以保障雨水向地下渗透，不会在表面淤积而损坏、腐蚀望远镜。

3.使用射电望远镜时需要将无线电干扰尽量减少到最低，大窝凼周边 5千米左右范围内没有乡镇，无线电环境理想。

4.大窝凼洼地边坡结构稳定不会坍塌，也没有大的地震影响。

FAST发现的两颗脉冲星示意图

“天眼”的大发现

2017年10月，FAST发现了两颗新脉冲星，距离地球约为 4100光年和1.6万光年，这是我国射电望远镜首次发现脉冲星，也是世界上发现的最远的脉冲星，这项成果足以证明FAST功能的强大。这一发现立刻引起了全球天文学界的关注，连西方媒体都发表评论称“这是国际天文学界最令人激动的一个事件。”截至目前，FAST已经接收到众多遥远宇宙信号，探索到了多达6颗脉冲星。它的研究成果还将助力观测暗物质和暗能量以及引力波等现象。毫不夸张地说，FAST的出现，让中国天文学站到了世界天文学前列。