宇宙再大，中國這口“鍋”也裝得下！世界最大的單口徑射電望遠鏡FAST向全球開(kāi)放 | 專(zhuān)訪(fǎng)

中國 “天眼” 又稱(chēng) FAST，是一臺 500 米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），坐落于貴州省黔南喀斯特巨型洼坑中，是目前全球最大單口徑、靈敏度最高、綜合性能最強的射電望遠鏡，沒(méi)有之一。


望遠鏡是人類(lèi)探索宇宙必不可少的工具，相比觀(guān)測可見(jiàn)光頻段的光學(xué)望遠鏡，射電望遠鏡可觀(guān)測到宇宙中各種天體發(fā)出的射電波，它的出現拓展了人類(lèi)對宇宙的認知，對于類(lèi)星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子、以及脈沖星的發(fā)現，射電望遠鏡功不可沒(méi)。
此前，美國的阿雷西博（Arecibo）望遠鏡曾是世界最大的射電望遠鏡，它位于波多黎各島，口徑為 305 米。然而，伴隨著(zhù) 2020 年的兩次意外事故，最終其于當年 12 月初坍塌報廢。
阿雷西博射電望遠鏡屬于 “固定機位”，主體無(wú)法轉動(dòng)，只能通過(guò)改變饋源位置來(lái)掃描某個(gè)特定區域，而且其反射面是一個(gè)球面，反射的無(wú)線(xiàn)電波信號是平行的，因此得用超大饋源裝置才能將這些信號全部接收。為提高接收效率，后來(lái)阿雷西博改進(jìn)成了改正鏡的方式。

相比來(lái)看，FAST 不但更大而且更加 “靈活”，它可利用自身眾多的反射面形成瞬時(shí)拋物面，進(jìn)而通過(guò)小型饋源裝置獲取來(lái)自天空不同區域的信號，從而更利于追蹤移動(dòng)天體。
據悉，FAST 的綜合性能是阿雷西博射電望遠鏡的 10 倍以上，可接收到 137 億光年以外的電磁信號，最遠觀(guān)測范圍可達宇宙邊緣，并且FAST 在未來(lái) 10-20 年都將處于國際領(lǐng)先地位。

三大自主技術(shù)創(chuàng )新，FAST 問(wèn)鼎世界射電望遠鏡之最
FAST 由主動(dòng)反射面系統、饋源支撐系統、接收機與終端、測量與控制系統以及觀(guān)測基地等部分構成，反射面總面積達 25 萬(wàn)平方米，相當于 30 個(gè)標準足球場(chǎng)大小。
FAST 之所以能穩坐全球射電望遠鏡 “頭把交椅”，主要歸功于其搭載的具有自主知識產(chǎn)權的核心技術(shù)。對此，國家天文臺青年研究員、現任 FAST 運行和發(fā)展中心機械組組長(cháng)姚蕊告訴 DeepTech，中國 FAST 擁有三大技術(shù)自主創(chuàng )新：
第一，貴州省黔南州的喀斯特巨型洼坑地形具有天然球形特征，利用洼坑作為臺址減少了大量的建設工程，而良好的電磁環(huán)境更是射電望遠鏡的 “好家園”。
第二，自主研發(fā)主動(dòng)變形反射面技術(shù)，將球面變成拋物面進(jìn)行信號匯聚。
第三，自主研發(fā)輕型索拖動(dòng)饋源平臺和并聯(lián)機器人，實(shí)現接收機的高精度指向跟蹤。

FAST 建設之初對標的正是美國阿雷西博射電望遠鏡，阿雷西博采用固定球面設計。如果按照阿雷西博的設計思路，那么 FAST 整個(gè)框架和饋源艙的質(zhì)量將超過(guò)萬(wàn)噸，顯然這將無(wú)法實(shí)現。
“FAST 建設團隊將目光投向了索網(wǎng)結構，創(chuàng )新性地將球面實(shí)時(shí)變成拋物面，把電磁波匯聚到一個(gè)焦點(diǎn)。團隊經(jīng)過(guò)研究測算發(fā)現，如果選擇合適的焦比，就可以在 300 米口徑范圍內讓球面變成拋物面，而索網(wǎng)形變最大偏移距離不足 1 米?！?姚蕊說(shuō)道。

如上圖所示，FAST 的主動(dòng)變形反射面系統由圈梁、索網(wǎng)、反射面單元和促動(dòng)器裝置構成。
FAST 使用上萬(wàn)根鋼索編織成索網(wǎng)懸掛于圈梁，類(lèi)似于把一個(gè)巨大的網(wǎng)兜掛在直徑 500 米的圈梁上，索網(wǎng)上安置有 4450 個(gè)反射面單元，索網(wǎng)的 2000 多個(gè)結點(diǎn)下面連接下拉索和促動(dòng)器，促動(dòng)器向下拉索網(wǎng)，整個(gè)反射面單元會(huì )隨之一起發(fā)生形變，在觀(guān)測方向形成一個(gè)拋物面，最終將電磁波匯聚到焦點(diǎn)。

得益于上述創(chuàng )新設計，FAST 能在任意 300 米范圍內形成一個(gè)高精度拋物面來(lái)匯聚射電波。概括來(lái)說(shuō)，其開(kāi)創(chuàng )了巨型射電望遠鏡的建造新模式，突破了傳統全可動(dòng)射電望遠鏡口徑百米工程的極限。
同時(shí)，FAST 超大的工程規模、嚴苛的精度要求、以及獨特的運行方式也給研究團隊帶來(lái)了前所未有的挑戰。
首當其沖的便是鋼索材料問(wèn)題，“FAST 索網(wǎng)的抗疲勞性能要超過(guò) 200 萬(wàn)次，還得承受大尺度彈性形變以及 500MPa 應力幅，這個(gè)要求甚至超過(guò)了國內 / 國際相關(guān)標準的 2.5 倍以上。當時(shí)國內沒(méi)有這種鋼索，于是 FAST 聯(lián)合科研單位和相關(guān)企業(yè)共同攻關(guān)，最終研發(fā)成功。后來(lái)，這種鋼索還被用于珠港澳大橋建設中?！?姚蕊說(shuō)道。
兩級并聯(lián)機構協(xié)調工作，實(shí)現饋源毫米級精度控制在 FAST 接收面由球面變成拋物面之后，信號匯聚難題迎刃而解，接下來(lái)便是如何精準移動(dòng)饋源艙進(jìn)行信號收集。據悉，只有將饋源精確地定位在拋物面焦點(diǎn)，才能最高效率地捕獲信號。
“FAST 采用輕型饋源支撐系統，使用 6 根長(cháng)達 600 米的鋼絲繩形成跨度達 600 米的索并聯(lián)機器人牽引中間 30 噸的饋源艙，在 140 米的高空、207 米范圍內的球冠面上實(shí)時(shí)運動(dòng)并接收無(wú)線(xiàn)電波，饋源艙里裝有剛性并聯(lián)機器人，索并聯(lián)機器人和剛性并聯(lián)機器人協(xié)同進(jìn)行饋源定位，能夠實(shí)現饋源 10 毫米的動(dòng)態(tài)精度控制?！?姚蕊表示。

據了解，FAST 饋源支撐系統所用的這種大跨度下并聯(lián)機器人的研究在當時(shí)還是一片空白，包括研究方法、設計方法以及控制技術(shù)等都需進(jìn)行攻關(guān)。
對此，姚蕊說(shuō)：“FAST 聯(lián)合很多高校團隊進(jìn)行研發(fā)，做了很多理論研究，最終經(jīng)過(guò)一系列大量模型試驗才完成了技術(shù)攻關(guān)。索并聯(lián)機器人在 FAST 研發(fā)和成功應用中得到了更廣泛關(guān)注，目前已大量地應用于航空航天、船舶、倉儲等眾多領(lǐng)域?！?/span>
至此，信號的匯聚、收集工作已經(jīng)大功告成，最后就是信號的傳輸問(wèn)題。
FAST 使用的通信光纜需要同時(shí)滿(mǎn)足 80 多個(gè)通道以進(jìn)行信號傳輸，同時(shí)光纜還需要隨著(zhù)鋼絲繩進(jìn)行長(cháng)度變化，這就要求光纜的數據帶寬足夠大，還要足夠輕，這對光纜彎折次數和疲勞特性等也提出了嚴苛要求。
談及該難題的攻克，姚蕊告訴 DeepTech：“FAST 采用的動(dòng)光纜技術(shù)，也是 FAST 聯(lián)合國內企業(yè)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，最終成功開(kāi)發(fā)出兼具質(zhì)量輕、帶寬大、耐用的 48 芯動(dòng)態(tài)光纜?！?/span>

另?yè)?，FAST 還采用全天候多手段測量技術(shù)，包括 GPS、全站儀和慣導技術(shù)等，通過(guò)不同測量手段的優(yōu)勢互補、先進(jìn)自主技術(shù)的加持、以及實(shí)時(shí)保證饋源的精準定位，FAST 最終實(shí)現了毫米級別的動(dòng)態(tài)精度控制。
而且，FAST 不受天氣因素影響，可實(shí)現全天候的天文觀(guān)測，除了日常維護和測試需求外，每天均有 22-23 小時(shí)可實(shí)現觀(guān)測，這也促成了更多科學(xué)成果的產(chǎn)出。
借助 FAST，中國天文界收獲很多突破性成果
導航給人們的生活帶來(lái)諸多便利，那在太空中如何實(shí)現導航？有一種方法是借助脈沖星，航天器飛出地球大氣層后，可通過(guò)脈沖星進(jìn)行定位和導航。
脈沖星是一種自旋非?？斓某呙芏忍祗w，其輻射來(lái)自于自身強大磁場(chǎng)的極冠區，當脈沖星輻射信號在極冠轉到地球視線(xiàn)方向的時(shí)候，射電望遠鏡可以捕捉到脈沖信號?！懊}沖星就好比是一個(gè)時(shí)鐘，若能發(fā)現信號比較穩定的脈沖星，就等于為宇宙探測提供了一個(gè)很好的基準?！?姚蕊指出。

正因此，脈沖星是射電望遠鏡重要的科學(xué)目標之一，在基礎科學(xué)研究領(lǐng)域起著(zhù)至關(guān)重要的作用，對航天事業(yè)也具有重大意義。自 1967 年發(fā)現第一顆脈沖星至今，人類(lèi)一共發(fā)現了 2700 多個(gè)脈沖星。
而 FAST 從 2016 年 9 月落成啟用，到 2020 年 1 月通過(guò)國家驗收，含設備調試時(shí)間在內的四年間便發(fā)現了 300 余顆脈沖星，為中國乃至全球天文科技發(fā)展貢獻了重要力量。
“FAST 最重要的應用之一就是發(fā)現脈沖星，當然還包括毫秒脈沖星。當發(fā)現了足夠多的優(yōu)質(zhì)脈沖星，就可以做成一個(gè)計時(shí)陣，為今后測引力波、星際導航等提供幫助。” 姚蕊說(shuō)道。
毫秒脈沖星，顧名思義它在幾毫秒便可自轉一周，而地球需要 24 小時(shí)才能自轉一周。憑借超高靈敏度，FAST 可觀(guān)測到毫秒脈沖星，這極大提升了人類(lèi)對脈沖星的觀(guān)測能力，更讓傳統射電望遠鏡難以企及。
當然，觀(guān)測脈沖星并不是 FAST 的唯一用途。去年 11 月，Nature 一連刊登三篇快速射電暴的相關(guān)論文，其中一篇正是中國團隊借助 FAST 完成的，該研究首次為快速射電暴與磁星之間的關(guān)系提供了線(xiàn)索。

借助 FAST，研究人員可以探測暗物質(zhì)、測算黑洞質(zhì)量、探尋外星文明，還可觀(guān)測早期星系的活動(dòng)跡象，探索宇宙的起源和奧秘，甚至還能發(fā)現未來(lái)可以適合人類(lèi)居住的星球等等。
此外，FAST 在射電瞬變源方面也有很大潛力，有望在短時(shí)間內實(shí)現納赫茲的引力波探測、捕捉到宇宙大爆炸時(shí)期的原初引力波，為研究宇宙大爆炸原初時(shí)刻的物理過(guò)程提供數據支撐。
不得不說(shuō)，一系列 “技能” 加持，讓 FAST 在全球射電望遠鏡行列一騎絕塵。那么，既然VLBI（Very Long Baseline Interferometry，甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量技術(shù)）實(shí)現了地球直徑級別口徑，建設 FAST 的意義何在？
憑借靈敏度優(yōu)勢，FAST 有望主導國際 VLBI 合作前面一直在提及的是 FAST 靈敏度很高，但靈敏度并不是衡量射電望遠鏡的唯一標準。
“靈敏度和分辨率是衡量射電望遠鏡最重要的兩個(gè)指標。靈敏度高可以理解為望遠鏡‘看得更遠’，分辨率高可以理解為望遠鏡‘看得清晰’?！?姚蕊指出。射電望遠鏡口徑越大，靈敏度也就越高，能夠接收到的射電波也就越多。
雖然單個(gè)射電望遠鏡的分辨率不高，但可以 “聯(lián)機” 運行，也就是使用兩臺位于不同地點(diǎn)的望遠鏡接收來(lái)自同一天體的電波信號，然后將兩束電波進(jìn)行干涉，其等效分辨率相當于一臺口徑為兩地距離的單口徑射電望遠鏡，這便是前面的甚長(cháng)基線(xiàn)干涉測量技術(shù)。
目前，科學(xué)家已利用該技術(shù)實(shí)現了 “等效口徑相當于地球直徑量級” 的射電望遠鏡。

可能有人問(wèn)，既然已經(jīng)擁有口徑相當于 “地球直徑級別” 的射電望遠鏡，那么建造口徑僅為 500 米的 FAST 用途何在？
對此，姚蕊指出，“VLBI 技術(shù)的目的是為了把望遠鏡分辨率做得很高，但若是想要提高靈敏度只能增加望遠鏡的口徑。FAST 的優(yōu)勢在于靈敏度高，可以探測到更弱的射電信號源。目前，提高射電望遠鏡靈敏度的唯一方法就是增加收集信號接收面的面積，即增加口徑?！?/span>
換言之，VLBI 技術(shù)能做的只是提高射電望遠鏡的分辨率，但如果兩臺望遠鏡的靈敏度都不高，根本探測不到微弱信號，因此等效口徑再大也沒(méi)有實(shí)質(zhì)意義。
值得一提的是，得益于超高靈敏度優(yōu)勢和地域優(yōu)勢，FAST 將有望成為 VLBI 的 “網(wǎng)主”，在國際 VLBI 合作領(lǐng)域發(fā)揮主導作用。
科技無(wú)國界，FAST 向世界開(kāi)放盡顯大國風(fēng)范
天文學(xué)是一門(mén)重度依賴(lài)觀(guān)測設備的學(xué)科。長(cháng)期以來(lái)，由于沒(méi)有大型射電望遠鏡，中國天文學(xué)家很難拿到一手資料。如今隨著(zhù) FAST 的誕生，這一格局被徹底扭轉，中國的科學(xué)家們有了更多的主導權。
FAST 最早是中國天文學(xué)家南仁東教授于 1994 年提出的構想，由中國科學(xué)院國家天文臺主導進(jìn)行設計建造，歷時(shí) 22 年建成。從預制到完成，這二十余年凝聚了眾多科學(xué)家的心血與付出。
談到南仁東教授，姚蕊告訴 DeepTech，“南老師除了在技術(shù)層面起到的領(lǐng)導作用，他更是我們的精神領(lǐng)袖。FAST 從提出到建設再到落成，期間有著(zhù)太多的艱難險阻，南老師就像是一座燈塔，照亮大家前行的路，他勇于探索、永不言棄的科學(xué)精神始終激勵著(zhù)大家沿著(zhù)這條路堅定不移地走下去?！?/span>
對于建設 FAST 的意義，姚蕊表示，“FAST 將對國內天文、物理等眾多領(lǐng)域的發(fā)展起到巨大的促進(jìn)和推動(dòng)作用。中國科學(xué)家可使用 FAST 觀(guān)測的時(shí)間更長(cháng)，因此可以做更多、更廣泛的科研探索，可以開(kāi)放更多科學(xué)目標觀(guān)測，還有可能開(kāi)辟全新的科學(xué)目標和領(lǐng)域。在建設期，FAST 帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展，如今進(jìn)入運行期，伴隨 FAST 后續升級，還將進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)技術(shù)和理論研究發(fā)展進(jìn)步?！?/span>

自從去年阿雷西博射電望遠鏡坍塌之后，全球天文學(xué)家的注意力都聚焦在 FAST 上，去年中國科學(xué)院院士、FAST 科學(xué)委員會(huì )主任武向平也公開(kāi)表示：“FAST 將在 2021 年面向全球開(kāi)放，全世界的科學(xué)家都可以使用這臺世界上最大的射電望遠鏡，一起為探索宇宙的奧秘、推動(dòng)人類(lèi)文明的進(jìn)步作貢獻，構建人類(lèi)命運共同體?！?/span>
對于中國作出的這一承諾，外媒報道稱(chēng)：“中國 FAST 面向全球開(kāi)放可以說(shuō)是拯救了全世界的天文學(xué)家！”
對此，姚蕊認為：“作為國之重器，FAST 一方面為我們國家的天文事業(yè)作貢獻，另一方面，我們也希望向全世界展示我們國內從天文學(xué)到技術(shù)的能力，讓更多的科學(xué)家利用 FAST 得到更多更好的科研產(chǎn)出。探索宇宙是全人類(lèi)共同的目標，FAST 的開(kāi)放必將促成更多國內外技術(shù)合作，進(jìn)一步提升全人類(lèi)對于宇宙探索的能力?！?/span>