FAST是怎样炼成的

2021-03-22喻业钊张逸

科学24小时 2021年4期

喻业钊张逸

如今，提起“中国天眼”，可谓是家喻户晓了。它的正式名称是“500米口径球面射电望远镜”，英文名为Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope（简称FAST）。FAST是目前世界上最大的单口径射电望远镜。射电望远镜的口径越大，通常意味着用以接收电磁波的面积越大，望远镜的空间分辨率和灵敏度也就越高，能观测更小、更暗的天体。那么，我国天文学家为什么要建这么一个望远镜呢？难道就只是为了争一个“世界之最”？当然不是。FAST的起源，遠比一般人想象中的复杂。

事情要从1993年说起。那年，第24届国际无线电科学联盟大会在日本东京举行。会上，包括中国在内的10个国家的天文学家共同倡议，想要在人类科技将地球的电磁环境彻底污染之前，建造一个接收面积达到1平方千米的射电望远镜阵列。这个计划刚提出来时称作“大望远镜”，后来更名为“平方千米阵列（Square Kilometer Array，简称SKA）”。

对于“平方千米阵列要如何建设”的疑问，不同的国家提出了诸多的设计方案。这些设计方案大致可以分为两大类：一类是以荷兰、美国方案为代表的“大量小望远镜”方案;另一类是以我国、加拿大方案为代表的“少量大望远镜”方案。其中，在1994年，我国提出的方案KARST（Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope，即平方千米面积射电综合望远镜）计划在贵州南部大片的喀斯特地貌中寻找大小合适的洼地，利用这些洼地建造大约30个有效口径200米的大射电望远镜组成的望远镜阵列，以实现SKA设计目标。KARST这个缩写，本身就是“喀斯特”的英文单词，正好与KARST方案利用天然喀斯特地貌的特点相呼应。写到这儿，大家应该也都能猜到了，FAST应该就是KARST方案中的一个望远镜。猜得没错。那KARST方案中剩下的20多个望远镜呢？让我们继续往下讲。

1994年，中国天文学家刚提出“平方千米阵列”方案时，就指出要利用天然的喀斯特洼地群。1995年，西安电子科技大学的段宝岩院士提出了馈源索驱动的概念。当时，世界上相似类型的大望远镜仅有美国阿雷西博305米射电望远镜一例。但是，阿雷西博望远镜悬挂馈源的平台是固定不动的，也就是说吊着馈源平台的索缆是不用伸缩运动的。阿雷西博望远镜馈源的位置调整，需要依靠馈源平台上大型的运动机构，导致阿雷西博整个馈源平台重达900吨。基于段宝岩院士提出的馈源索驱动方案，我国望远镜的馈源是依靠调整吊着馈源的索缆长度实现的（还要有额外的精调机构）。馈源索驱动方案可以大幅降低馈源平台的重量，但频繁调整索缆长度会缩短索缆的使用寿命，对索缆的抗疲劳能力要求很高。一言蔽之，KARST单元的实现方案存在着一定的不确定性。为了增强KARST方案的竞争力，验证其方案的可行性，1996年，中国天文学家提出先建设KARST方案中预定的30个大望远镜中的一个。而这个望远镜就是后来的FAST。1997年，北京天文台（现在的国家天文台）的天文科学家邱育海提出主动反射面概念，即用于观测的反射面区域，可以从原本的球面变为抛物面。至此，FAST的整体设计概念确立。

早期的FAST 设计方案概念图，其中包含利用天然喀斯特洼地、馈源索驱动（当时方案为3 个支撑塔）和主动反射面（红色区域为示例的变形区域）。

KARST 项目在贵州南部选出的部分候选台址，不同颜色的点表示该洼地由对应数目的山峰所围成。

与此同时，我国天文学家也在寻找适合放置KARST望远镜的洼地。1994年，时任北京天文台副台长的南仁东找到遥感与数字地球研究所（以下简称：遥感所）的领导协助选址。当时遥感所的领导为南仁东推荐了专门做洼地研究的聂跃平。聂跃平是贵州省黔南布依族苗族自治州独山县人，他敏锐地意识到，就在他的家乡贵州黔南，应该就有KARST项目所需要的洼地。聂跃平带领研究团队利用遥感数据在贵州南部找出了400多个洼地。但因为当时遥感数据精度较差，只有几十米，这些洼地究竟哪些能符合要求，还得实地确认。他们通过地图对比，在这400多个洼地中选出了100多个，然后一个个地进行实地考察。

1999年，KARST先导单元——FAST获得中国科学院知识创新工程的支持，由概念预研究转入实验研究阶段。2000年8月10日，在英国曼彻斯特召开的国际天文学会大会上，中国、澳大利亚、加拿大、德国、印度、意大利、荷兰、波兰、瑞典、英国和美国共11个国家联合成立了“国际平方千米阵执行委员会”。当时，国外媒体报道了这一喜讯，并公布了当时的5种技术方案。其中，我国的KARST方案名列榜首。

国外媒体对“国际平方千米阵执行委员会”的成立进行的报道。左侧5 张图片为当时“平方千米阵”的5 种实现方案，最上方为我国的KARST 方案。

FAST 项目奠基碑，碑后刻有诗文：“北筑鸟巢聚圣火，南修窝凼落星辰”。

到2004年，“国际平方千米阵执行委员会”筛选出4个候选台址，其中一个就是我国的KARST方案。2005年，国际平方千米阵电磁波环境监测小组分别对这4个候选台址展开了6～8周的环境监测。到2006年，“澳大利亚-新西兰方案”和“南非-非洲8国方案”被优选出来。而我国的KARST方案落选，不再参与国际竞争。

KARST方案的落选，主要的问题并不在方案本身，而在于平方千米陣被提出的10多年间，随着科技的发展，天文学家对平方千米阵提出了更多的科学目标，其技术指标也随之改变。一开始，平方千米阵的科学目标主要是高红移中性氢，所以其观测频率上限只要求达到1.4吉赫兹，且最初平方千米阵中最远2个望远镜之间的距离只要求达到300千米。后来，随着科学目标的增加，观测频率上限提高到了22吉赫兹。对空间分辨率要求的提高，使得对最远2个望远镜的距离要求提高到了3000千米。我国的KARST方案显然无法达到要求。这是因为贵州多阴雨天气，会影响10吉赫兹以上的射电天文观测。此外，贵州喀斯特地貌的分布也远没有3000千米那么广阔，难以承载那么大的阵列。

虽然KARST项目最终没能成为平方千米阵的实现方案，但我们前文提到的在1999年就已经获得中国科学院支持的KARST先导单元FAST项目还是继续得到了推进。2007年7月，FAST项目获得国家发展和改革委员会的批复正式立项。2008年10月，国家发展和改革委员会批复FAST项目可行性研究报告。2008年12月26日，FAST项目正式奠基。随后，该项目相继完成征地拆迁、修建进场道路等工作。2011年1月23日，FAST台址开挖开工仪式举行。2013年12月，FAST圈梁钢结构合拢。2014年11月，FAST馈源支撑塔通过竣工验收。2015年2月，FAST索网合拢。2015年11月，FAST馈源舱（当时使用的不是真正的馈源舱，而是一个代替品）首次升舱，馈源舱停靠平台通过验收。2016年7月，FAST反射面板铺设完成，FAST主体完工。2016年9月25日，FAST项目竣工。

经过多次优化设计，最终建设完成的FAST望远镜与最初的设计方案并不完全一致。我们现在看到的FAST望远镜主要由反射面（即所谓的“大锅”）、6架馈源塔和馈源舱（有时被通俗地称为FAST的“眼珠子”）3部分组成。那么，FAST又是怎样接收外太空信号的呢？

结合FAST望远镜的光路图，我们来了解一下它的工作原理。在光路图中，最下方黑色曲线表示望远镜反射面（直径为500米，呈球面）。反射面上方的黑色虚曲线表示望远镜焦面。当FAST观测不同位置的天体时，馈源（图中绿色、红色多边形）要移动到焦平面上相应的位置。观测的时候只使用对应区域直径300米范围的反射面板。以光路图中观测S1处的星星为例，由馈源塔发出的6根钢缆伸缩变化，移动馈源舱。馈源舱中的精调机构再做精细调节，最终将馈源定位在光路图中绿色多边形对应的位置。馈源向着反射面有一个120度的张角，张角范围内的反射面板会在索网和触动器的共同作用下变形为一个抛物面（紫色虚曲线）。这时，从S1处发出的平行光会被紫色虚线的抛物面反射并汇聚到馈源处。馈源就如同一部收音机，会将电磁波信号转变为电压信号，并经过放大、滤波等处理，然后将信号传送到观测中心进行进一步的处理和储存。

FAST望远镜光路图

虽然FAST只是未能实现的KARST项目中极小的一部分，但当时在提出FAST的时候，我国天文学家们就清楚地认识到，我们应该使得FAST能独立拥有强大的观测能力。当时世界上最大的单口径射电望远镜是美国阿雷西博天文台的305米射电望远镜。阿雷西博望远镜和FAST一样都是固定式望远镜，它的口径虽说有305米，但实际使用的时候一般只能用到200米左右。另外，它只能观测天顶角（距离天顶的角度）小于20度左右的范围。而FAST望远镜有效口径达到300米，观测天顶角最大可到40度。不管是灵敏度还是观测范围，FAST都超过阿雷西博望远镜。

FAST落成之后，的确没让大家失望。强大的灵敏度让它即使还处于调试阶段，就发现了上百颗未知的脉冲星，还能对一些已知的脉冲星做更好的观测。开放国内观测申请之后，FAST还在快速射电暴的观测上取得了重大成果，其中有2篇相关文章刊登在了国际著名的《自然》杂志上。如今，FAST望远镜正按着设计者的构想，独立于KARST项目作出重要的贡献。2021年4月1日，FAST向国际开放观测申请，相信会有越来越多的重要观测成果出现。

致谢：本期专题感谢贵州省普通高等学校青年科技人才项目（编号：黔教合KY字[2019]214）、黔南民族师范学院高层次人才研究专项项目（编号：QNSY2019RC01）支持。