装下宇宙之大

李玉鹏

北京时间2021年3月31日零点，中国“天眼”正式面向全世界开放，接受全球科学家的观测申请。

中国“天眼”又称FAST，是一台500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope，简写为FAST），坐落于贵州省黔南州的喀斯特巨型洼坑中，是目前全球单口径最大、灵敏度最高、综合性能最强的射电望远镜。

望远镜是人类探索宇宙必不可少的工具，相比观测可见光频段的光学望远镜，射电望远镜能观测到宇宙中各种天体发出的射电波。它的出现拓展了人类对宇宙的认知，对类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子以及脉冲星的发现，射电望远镜功不可没。

此前，美国的阿雷西博望远镜曾是世界最大的射电望远镜，它位于波多黎各岛，口径为305米。然而，伴随着2次意外事故的发生，其最终于2020年12月初坍塌报废。

阿雷西博射电望远镜属于“固定机位”观测，主体无法转动，只能通过改变馈源位置来扫描某个特定区域;而且其反射面是一个球面，反射的无线电波信号是平行的，因此得用超大馈源装置才能将这些信号全部接收。为提高接收效率，阿雷西博望远镜后来改进成了改正镜的方式。

相比来看，FAST 不但更大而且更加“灵活”，它能利用自身众多的反射面形成瞬时抛物面，进而通过小型馈源装置获取来自天空不同区域的信号，更利于追踪移动天体。据悉，FAST的综合性能是阿雷西博射电望远镜的10倍以上，可接收到137亿光年以外的电磁信号，最远观测范围可达目前已知宇宙的边缘，并且FAST 在未来10～20年，都将处于国际领先地位。

三大自主技术创新，FAST 问鼎世界射电望远镜之最

FAST 由主動反射面系统、馈源支撑系统、接收机与终端、测量与控制系统以及观测基地等部分构成，反射面总面积达25万平方米，相当于30个标准足球场大小。

FAST 之所以能稳坐全球射电望远镜“头把交椅”，主要归功于其搭载的具有自主知识产权的核心技术。对此，国家天文台青年研究员、现任FAST 运行和发展中心机械组组长姚蕊介绍，中国FAST 拥有三大技术自主创新：

第一，贵州省黔南州的喀斯特巨型洼坑地形具有天然球形特征，利用洼坑作为台址减少了大量的建设工程;当地良好的电磁环境更是射电望远镜的“好家园”。

第二，自主研发主动变形反射面技术，将球面变成抛物面进行信号汇聚。

第三，自主研发轻型索拖动馈源平台和并联机器人，实现接收机的高精度指向跟踪。

FAST建设之初对标的正是美国阿雷西博射电望远镜。阿雷西博采用固定球面设计，如果按照这一设计思路，FAST 整个框架和馈源舱的质量将超过万吨，显然无法实现。

“FAST建设团队将目光投向了索网结构，创新性地将球面实时变成抛物面，把电磁波汇聚到一个焦点。团队经过研究测算发现，如果选择合适的焦比，就可以在300米口径范围内让球面变成抛物面，而索网形变最大偏移距离不足1米。”

FAST的主动变形反射面系统由圈梁、索网、反射面单元和促动器装置构成。FAST 使用上万根钢索编织成索网悬挂于圈梁，类似于把1个巨大的网兜挂在直径500米的圈梁上。索网上安置有4450个反射面单元，索网的2000多个结点下面连接下拉索和促动器，促动器向下拉动索网，整个反射面单元会随之一起发生形变，在观测方向形成一个抛物面，最终将电磁波汇聚到焦点。

得益于上述创新设计，FAST能在任意300米范围内形成一个高精度抛物面来汇聚射电波。总的来说，FAST 开创了巨型射电望远镜的建造模式，突破了传统全可动射电望远镜口径百米工程的极限。

同时，FAST超大的工程规模、严苛的精度要求以及独特的运行方式，也给研究团队带来了前所未有的挑战。

首当其冲的便是钢索材料问题。“FAST索网的抗疲劳性能要超过200万次，还得承受大尺度弹性形变以及500兆帕的超高应力幅，这个要求甚至超过了国内、国际相关标准的2.5倍。当时，国内没有这种钢索，于是FAST 联合科研单位和相关企业共同攻关，最终研发成功。后来，这种钢索还被用于港珠澳大桥的建设中。”姚蕊说到。

两级并联机构协调工作，实现馈源毫米级精度控制

在FAST接收面由球面变成抛物面之后，信号汇聚难题迎刃而解。

接下来便是如何精准移动馈源舱进行信号收集。据悉，只有将馈源精确地定位在抛物面焦点，才能最高效率地捕获信号。

“FAST采用轻型馈源支撑系统，使用6根长达600米的钢丝绳形成跨度达600米的索并联机器人，牵引中间30吨重的馈源舱，在140米的高空、207米范围内的球冠面上实时运动并接收无线电波。馈源舱里装有刚性并联机器人，索并联机器人和刚性并联机器人协同进行馈源定位，能够实现馈源10毫米的动态精度控制。”姚蕊表示。

据了解，FAST馈源支撑系统所使用的这种大跨度下并联机器人的研究，在当时还是一片空白，包括研究方法、设计方法以及控制技术等都需进行攻关。

对此，姚蕊说：“FAST联合很多高校团队进行研发，做了很多理论研究，最终经过一系列大量模型试验才完成了技术攻关。索并联机器人在FAST研发和成功应用中得到了更广泛的关注，目前已大量应用于航空航天、船舶、仓储等众多领域。”

至此，信号的汇聚、收集工作已经大功告成，最后就是信号的传输问题。

FAST使用的通信光缆需要同时满足80多个通道进行信号传输;同时，光缆还需要随钢丝绳进行长度变化，这就要求光缆的数据带宽足够大，质量还要足够轻，这对光缆弯折次数和疲劳特性等也提出了严苛要求。

谈及该难题的攻克，姚蕊说：“FAST采用的动光缆技术，也是FAST联合国内企业技术攻关，才最终成功开发出兼具质量轻、带宽大、耐用的48芯动态光缆。”

另据悉，FAST还采用全天候多手段测量技术，包括GPS测量、TPS（全站仪定位系统）测量和IMU（惯性测量单元）测量等。通过不同测量手段的优势互补、先进自主技术的加持，以及实时保证馈源的精准定位，FAST最终实现了毫米级别的动态精度控制。

而且，FAST不受天气因素影响，可实现全天候的天文观测，除了日常维护和测试需求外，每天均有22～23小时可实现观测，这也促成了更多科学成果的产出。

借助FAST，中国天文界收获很多突破性成果

导航给人们的生活带来诸多便利，那么航天器在太空中如何实现导航呢？有一种方法是借助脉冲星。航天器飞出地球大气层后，可通過脉冲星进行定位和导航。

脉冲星是一种自旋非常快的超高密度天体，其辐射来自自身强大磁场的极冠区。当脉冲星辐射信号在极冠转到地球视线方向的时候，射电望远镜就可以捕捉到脉冲信号。“脉冲星好比一个时钟，若能发现信号比较稳定的脉冲星，就等于为宇宙探测提供了一个很好的基准。”姚蕊指出。

因此，脉冲星成为射电望远镜重要的科学目标之一，在基础科学研究领域起着至关重要的作用，对航天事业也具有重大意义。自1967年发现第1颗脉冲星至今，人类一共发现了2700多颗脉冲星。

而FAST从2016年9月落成启用，到2020年1月通过国家验收，含设备调试时间在内的4年间里，便发现了300余颗脉冲星，为中国乃至全球天文科技发展贡献了重要力量。

“FAST最重要的应用之一就是发现脉冲星，当然还包括毫秒脉冲星。当发现了足够多的优质脉冲星，就可以做成一个计时阵，为今后引力波探测、星际导航等提供帮助。”姚蕊介绍。

毫秒脉冲星，顾名思义，它在几毫秒内便可自转1周，而地球需要24小时才能自转1周。凭借超高灵敏度，FAST可观测到毫秒脉冲星，这极大提升了人类对脉冲星的观测能力，更让传统射电望远镜难以企及。

当然，观测脉冲星并不是FAST 的唯一用途。2020年11月，《自然》杂志一连刊登3篇快速射电暴的相关论文，其中一篇正是中国团队借助FAST完成的。该研究首次为快速射电暴与磁星之间的关系提供了线索。

借助FAST，研究人员可以探测暗物质、测算黑洞质量、探寻外星文明，还可以观测早期星系的活动迹象，探索宇宙的起源和奥秘，甚至还能发现未来适合人类居住的星球等等。

此外，FAST在射电瞬变源方面也有很大潜力，有望在短时间内实现纳赫兹的引力波探测，捕捉到宇宙大爆炸时期的原初引力波，为研究宇宙大爆炸原初时刻的物理过程提供数据支撑。

不得不说，一系列技能加持，让FAST在全球射电望远镜行列一骑绝尘。那么，既然VLBI甚长基线干涉测量技术（Very Long Baseline Interferometry，简写为VLBI）实现了地球直径级别口径，建设FAST的意义何在？

凭借灵敏度优势，FAST有望主导国际VLBI合作

前面一直提及FAST灵敏度很高，但灵敏度并不是衡量射电望远镜的唯一标准。

“灵敏度和分辨率是衡量射电望远镜最重要的两个指标。灵敏度高可以理解为望远镜‘看得更远，分辨率高可以理解为望远镜‘看得更清晰。”姚蕊指出。射电望远镜口径越大，灵敏度就越高，能够接收到的射电波也就越多。

虽然单个射电望远镜的分辨率不高，但可以“联机”运行，也就是使用两台位于不同地点的望远镜接收来自同一天体的电波信号，然后将2束电波进行干涉，其等效分辨率相当于一台口径为两地距离的单口径射电望远镜，这便VLBI。

目前，科学家已利用该技术实现了“等效口径相当于地球直径量级”的射电望远镜。

可能有人会问，既然已经拥有口径相当于“地球直径级别”的射电望远镜，那么建造口径仅为500米的FAST用途何在？

对此，姚蕊指出：“VLBI技术的目的是把望远镜分辨率做得很高，但若想提高灵敏度，只能增加单个望远镜的口径。FAST的优势在于灵敏度高，可以探测到更弱的射电信号源。目前，提高射电望远镜灵敏度的唯一方法，就是增加收集信号接收面的面积，即增加口径。”

换言之，VLBI技术能做的，只是提高射电望远镜的分辨率，但如果两台望远镜的灵敏度都不高，根本探测不到微弱信号，那么等效口径再大也没有实质意义。

值得一提的是，得益于超高灵敏度优势和地域优势，FAST将有望成为VLBI的“网主”，在国际VLBI 合作领域发挥主导作用。

科技无国界，FAST向全世界开放

天文学是一门重度依赖观测设备的学科。长期以来，由于没有大型射电望远镜，中国天文学家很难拿到一手资料。如今，FAST的诞生，彻底扭转了这一局面，中国的科学家有了更多主导权。

FAST最早由中国天文学家南仁东教授于1994年提出构想，中国科学院国家天文台主导设计建造，历时22年建成。从预制到完成，这20余年凝聚了众多科学家的心血与付出。

谈到南仁东教授，姚蕊说：“南老师除了在技术层面起到领导作用，他更是我们的精神指引。FAST从提出到建设再到落成，其间有太多的艰难险阻，南老师就像一座灯塔，照亮大家前行的路。他勇于探索、永不言弃的科学精神始终激励着大家沿着这条路坚定不移地走下去。”

对于建设FAST的意义，姚蕊表示：“FAST将对国内天文、物理等众多领域的发展起到巨大的促进和推动作用。中国科学家可使用FAST观测的时间更长，因此可以做更多、更广泛的科研探索，可以开放更多科学目标观测，还有可能开辟全新的科学领域。在建设期，FAST就带动了相关领域的协同发展，如今进入运行期，伴随FAST后续升级，还将进一步促进相关技术和理论研究的发展进步。”

自从2020年阿雷西博射电望远镜坍塌后，全球天文学家的注意力都聚焦在FAST上。中国科学院院士、FAST科学委员会主任武向平也曾公开表示：“FAST将在2021年面向全球开放，全世界的科学家都可以使用这台世界上最大的射电望远镜，一起为探索宇宙的奥秘、推动人类文明的进步做贡献，构建人类命运共同体。”

对于中国做出的这一承诺，外媒报道称：“中国FAST面向全球开放可以说是拯救了全世界的天文学家！”

对此，姚蕊认为：“作为国之重器，FAST一方面为我们国家的天文事业做贡献，另一方面，我们也希望向全世界展示中国从天文学领域到技术领域的出色能力，让更多的科学家利用FAST得到更多、更好的科研产出。探索宇宙是全人类共同的目标，FAST 的开放必将促成更多国内外技术合作，进一步提升全人类对宇宙的探索能力。”