李玉鵬

北京時間2021年3月31日零點，中國“天眼”正式面向全世界開放，接受全球科學(xué)家的觀測申請。

中國“天眼”又稱FAST，是一臺500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope，簡寫為FAST），坐落于貴州省黔南州的喀斯特巨型洼坑中，是目前全球單口徑最大、靈敏度最高、綜合性能最強的射電望遠(yuǎn)鏡。

望遠(yuǎn)鏡是人類探索宇宙必不可少的工具，相比觀測可見光頻段的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，射電望遠(yuǎn)鏡能觀測到宇宙中各種天體發(fā)出的射電波。它的出現(xiàn)拓展了人類對宇宙的認(rèn)知，對類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子以及脈沖星的發(fā)現(xiàn)，射電望遠(yuǎn)鏡功不可沒。

此前，美國的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡曾是世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡，它位于波多黎各島，口徑為305米。然而，伴隨著2次意外事故的發(fā)生，其最終于2020年12月初坍塌報廢。

阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡屬于“固定機(jī)位”觀測，主體無法轉(zhuǎn)動，只能通過改變饋源位置來掃描某個特定區(qū)域;而且其反射面是一個球面，反射的無線電波信號是平行的，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，阿雷西博望遠(yuǎn)鏡后來改進(jìn)成了改正鏡的方式。

相比來看，F(xiàn)AST 不但更大而且更加“靈活”，它能利用自身眾多的反射面形成瞬時拋物面，進(jìn)而通過小型饋源裝置獲取來自天空不同區(qū)域的信號，更利于追蹤移動天體。據(jù)悉，F(xiàn)AST的綜合性能是阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的10倍以上，可接收到137億光年以外的電磁信號，最遠(yuǎn)觀測范圍可達(dá)目前已知宇宙的邊緣，并且FAST 在未來10～20年，都將處于國際領(lǐng)先地位。

三大自主技術(shù)創(chuàng)新，F(xiàn)AST 問鼎世界射電望遠(yuǎn)鏡之最

FAST 由主動反射面系統(tǒng)、饋源支撐系統(tǒng)、接收機(jī)與終端、測量與控制系統(tǒng)以及觀測基地等部分構(gòu)成，反射面總面積達(dá)25萬平方米，相當(dāng)于30個標(biāo)準(zhǔn)足球場大小。

FAST 之所以能穩(wěn)坐全球射電望遠(yuǎn)鏡“頭把交椅”，主要歸功于其搭載的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。對此，國家天文臺青年研究員、現(xiàn)任FAST 運行和發(fā)展中心機(jī)械組組長姚蕊介紹，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(shè)工程;當(dāng)?shù)亓己玫碾姶怒h(huán)境更是射電望遠(yuǎn)鏡的“好家園”。

第二，自主研發(fā)主動變形反射面技術(shù)，將球面變成拋物面進(jìn)行信號匯聚。

第三，自主研發(fā)輕型索拖動饋源平臺和并聯(lián)機(jī)器人，實現(xiàn)接收機(jī)的高精度指向跟蹤。

FAST建設(shè)之初對標(biāo)的正是美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡。阿雷西博采用固定球面設(shè)計，如果按照這一設(shè)計思路，F(xiàn)AST 整個框架和饋源艙的質(zhì)量將超過萬噸，顯然無法實現(xiàn)。

“FAST建設(shè)團(tuán)隊將目光投向了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性地將球面實時變成拋物面，把電磁波匯聚到一個焦點。團(tuán)隊經(jīng)過研究測算發(fā)現(xiàn)，如果選擇合適的焦比，就可以在300米口徑范圍內(nèi)讓球面變成拋物面，而索網(wǎng)形變最大偏移距離不足1米?！?/p>

FAST的主動變形反射面系統(tǒng)由圈梁、索網(wǎng)、反射面單元和促動器裝置構(gòu)成。FAST 使用上萬根鋼索編織成索網(wǎng)懸掛于圈梁，類似于把1個巨大的網(wǎng)兜掛在直徑500米的圈梁上。索網(wǎng)上安置有4450個反射面單元，索網(wǎng)的2000多個結(jié)點下面連接下拉索和促動器，促動器向下拉動索網(wǎng)，整個反射面單元會隨之一起發(fā)生形變，在觀測方向形成一個拋物面，最終將電磁波匯聚到焦點。

得益于上述創(chuàng)新設(shè)計，F(xiàn)AST能在任意300米范圍內(nèi)形成一個高精度拋物面來匯聚射電波?？偟膩碚f，F(xiàn)AST 開創(chuàng)了巨型射電望遠(yuǎn)鏡的建造模式，突破了傳統(tǒng)全可動射電望遠(yuǎn)鏡口徑百米工程的極限。

同時，F(xiàn)AST超大的工程規(guī)模、嚴(yán)苛的精度要求以及獨特的運行方式，也給研究團(tuán)隊帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

首當(dāng)其沖的便是鋼索材料問題?！癋AST索網(wǎng)的抗疲勞性能要超過200萬次，還得承受大尺度彈性形變以及500兆帕的超高應(yīng)力幅，這個要求甚至超過了國內(nèi)、國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的2.5倍。當(dāng)時，國內(nèi)沒有這種鋼索，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，這種鋼索還被用于港珠澳大橋的建設(shè)中?！币θ镎f到。

兩級并聯(lián)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)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。

接下來便是如何精準(zhǔn)移動饋源艙進(jìn)行信號收集。據(jù)悉，只有將饋源精確地定位在拋物面焦點，才能最高效率地捕獲信號。

“FAST采用輕型饋源支撐系統(tǒng)，使用6根長達(dá)600米的鋼絲繩形成跨度達(dá)600米的索并聯(lián)機(jī)器人，牽引中間30噸重的饋源艙，在140米的高空、207米范圍內(nèi)的球冠面上實時運動并接收無線電波。饋源艙里裝有剛性并聯(lián)機(jī)器人，索并聯(lián)機(jī)器人和剛性并聯(lián)機(jī)器人協(xié)同進(jìn)行饋源定位，能夠?qū)崿F(xiàn)饋源10毫米的動態(tài)精度控制。”姚蕊表示。

據(jù)了解，F(xiàn)AST饋源支撐系統(tǒng)所使用的這種大跨度下并聯(lián)機(jī)器人的研究，在當(dāng)時還是一片空白，包括研究方法、設(shè)計方法以及控制技術(shù)等都需進(jìn)行攻關(guān)。

對此，姚蕊說：“FAST聯(lián)合很多高校團(tuán)隊進(jìn)行研發(fā)，做了很多理論研究，最終經(jīng)過一系列大量模型試驗才完成了技術(shù)攻關(guān)。索并聯(lián)機(jī)器人在FAST研發(fā)和成功應(yīng)用中得到了更廣泛的關(guān)注，目前已大量應(yīng)用于航空航天、船舶、倉儲等眾多領(lǐng)域?！?/p>

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題。

FAST使用的通信光纜需要同時滿足80多個通道進(jìn)行信號傳輸;同時，光纜還需要隨鋼絲繩進(jìn)行長度變化，這就要求光纜的數(shù)據(jù)帶寬足夠大，質(zhì)量還要足夠輕，這對光纜彎折次數(shù)和疲勞特性等也提出了嚴(yán)苛要求。

談及該難題的攻克，姚蕊說：“FAST采用的動光纜技術(shù)，也是FAST聯(lián)合國內(nèi)企業(yè)技術(shù)攻關(guān)，才最終成功開發(fā)出兼具質(zhì)量輕、帶寬大、耐用的48芯動態(tài)光纜?！?/p>

另據(jù)悉，F(xiàn)AST還采用全天候多手段測量技術(shù)，包括GPS測量、TPS（全站儀定位系統(tǒng)）測量和IMU（慣性測量單元）測量等。通過不同測量手段的優(yōu)勢互補、先進(jìn)自主技術(shù)的加持，以及實時保證饋源的精準(zhǔn)定位，F(xiàn)AST最終實現(xiàn)了毫米級別的動態(tài)精度控制。

而且，F(xiàn)AST不受天氣因素影響，可實現(xiàn)全天候的天文觀測，除了日常維護(hù)和測試需求外，每天均有22～23小時可實現(xiàn)觀測，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(dǎo)航給人們的生活帶來諸多便利，那么航天器在太空中如何實現(xiàn)導(dǎo)航呢？有一種方法是借助脈沖星。航天器飛出地球大氣層后，可通過脈沖星進(jìn)行定位和導(dǎo)航。

脈沖星是一種自旋非?？斓某呙芏忍祗w，其輻射來自自身強大磁場的極冠區(qū)。當(dāng)脈沖星輻射信號在極冠轉(zhuǎn)到地球視線方向的時候，射電望遠(yuǎn)鏡就可以捕捉到脈沖信號?！懊}沖星好比一個時鐘，若能發(fā)現(xiàn)信號比較穩(wěn)定的脈沖星，就等于為宇宙探測提供了一個很好的基準(zhǔn)?！币θ镏赋?。

因此，脈沖星成為射電望遠(yuǎn)鏡重要的科學(xué)目標(biāo)之一，在基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域起著至關(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(xiàn)第1顆脈沖星至今，人類一共發(fā)現(xiàn)了2700多顆脈沖星。

而FAST從2016年9月落成啟用，到2020年1月通過國家驗收，含設(shè)備調(diào)試時間在內(nèi)的4年間里，便發(fā)現(xiàn)了300余顆脈沖星，為中國乃至全球天文科技發(fā)展貢獻(xiàn)了重要力量。

“FAST最重要的應(yīng)用之一就是發(fā)現(xiàn)脈沖星，當(dāng)然還包括毫秒脈沖星。當(dāng)發(fā)現(xiàn)了足夠多的優(yōu)質(zhì)脈沖星，就可以做成一個計時陣，為今后引力波探測、星際導(dǎo)航等提供幫助?！币θ锝榻B。

毫秒脈沖星，顧名思義，它在幾毫秒內(nèi)便可自轉(zhuǎn)1周，而地球需要24小時才能自轉(zhuǎn)1周。憑借超高靈敏度，F(xiàn)AST可觀測到毫秒脈沖星，這極大提升了人類對脈沖星的觀測能力，更讓傳統(tǒng)射電望遠(yuǎn)鏡難以企及。

當(dāng)然，觀測脈沖星并不是FAST 的唯一用途。2020年11月，《自然》雜志一連刊登3篇快速射電暴的相關(guān)論文，其中一篇正是中國團(tuán)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，還可以觀測早期星系的活動跡象，探索宇宙的起源和奧秘，甚至還能發(fā)現(xiàn)未來適合人類居住的星球等等。

此外，F(xiàn)AST在射電瞬變源方面也有很大潛力，有望在短時間內(nèi)實現(xiàn)納赫茲的引力波探測，捕捉到宇宙大爆炸時期的原初引力波，為研究宇宙大爆炸原初時刻的物理過程提供數(shù)據(jù)支撐。

不得不說，一系列技能加持，讓FAST在全球射電望遠(yuǎn)鏡行列一騎絕塵。那么，既然VLBI甚長基線干涉測量技術(shù)（Very Long Baseline Interferometry，簡寫為VLBI）實現(xiàn)了地球直徑級別口徑，建設(shè)FAST的意義何在？

憑借靈敏度優(yōu)勢，F(xiàn)AST有望主導(dǎo)國際VLBI合作

前面一直提及FAST靈敏度很高，但靈敏度并不是衡量射電望遠(yuǎn)鏡的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

“靈敏度和分辨率是衡量射電望遠(yuǎn)鏡最重要的兩個指標(biāo)。靈敏度高可以理解為望遠(yuǎn)鏡‘看得更遠(yuǎn)，分辨率高可以理解為望遠(yuǎn)鏡‘看得更清晰?！币θ镏赋?。射電望遠(yuǎn)鏡口徑越大，靈敏度就越高，能夠接收到的射電波也就越多。

雖然單個射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率不高，但可以“聯(lián)機(jī)”運行，也就是使用兩臺位于不同地點的望遠(yuǎn)鏡接收來自同一天體的電波信號，然后將2束電波進(jìn)行干涉，其等效分辨率相當(dāng)于一臺口徑為兩地距離的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，這便VLBI。

目前，科學(xué)家已利用該技術(shù)實現(xiàn)了“等效口徑相當(dāng)于地球直徑量級”的射電望遠(yuǎn)鏡。

可能有人會問，既然已經(jīng)擁有口徑相當(dāng)于“地球直徑級別”的射電望遠(yuǎn)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)的目的是把望遠(yuǎn)鏡分辨率做得很高，但若想提高靈敏度，只能增加單個望遠(yuǎn)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(yuǎn)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?！?/p>

換言之，VLBI技術(shù)能做的，只是提高射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率，但如果兩臺望遠(yuǎn)鏡的靈敏度都不高，根本探測不到微弱信號，那么等效口徑再大也沒有實質(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，F(xiàn)AST將有望成為VLBI的“網(wǎng)主”，在國際VLBI 合作領(lǐng)域發(fā)揮主導(dǎo)作用。

科技無國界，F(xiàn)AST向全世界開放

天文學(xué)是一門重度依賴觀測設(shè)備的學(xué)科。長期以來，由于沒有大型射電望遠(yuǎn)鏡，中國天文學(xué)家很難拿到一手資料。如今，F(xiàn)AST的誕生，徹底扭轉(zhuǎn)了這一局面，中國的科學(xué)家有了更多主導(dǎo)權(quán)。

FAST最早由中國天文學(xué)家南仁東教授于1994年提出構(gòu)想，中國科學(xué)院國家天文臺主導(dǎo)設(shè)計建造，歷時22年建成。從預(yù)制到完成，這20余年凝聚了眾多科學(xué)家的心血與付出。

談到南仁東教授，姚蕊說：“南老師除了在技術(shù)層面起到領(lǐng)導(dǎo)作用，他更是我們的精神指引。FAST從提出到建設(shè)再到落成，其間有太多的艱難險阻，南老師就像一座燈塔，照亮大家前行的路。他勇于探索、永不言棄的科學(xué)精神始終激勵著大家沿著這條路堅定不移地走下去?！?/p>

對于建設(shè)FAST的意義，姚蕊表示：“FAST將對國內(nèi)天文、物理等眾多領(lǐng)域的發(fā)展起到巨大的促進(jìn)和推動作用。中國科學(xué)家可使用FAST觀測的時間更長，因此可以做更多、更廣泛的科研探索，可以開放更多科學(xué)目標(biāo)觀測，還有可能開辟全新的科學(xué)領(lǐng)域。在建設(shè)期，F(xiàn)AST就帶動了相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展，如今進(jìn)入運行期，伴隨FAST后續(xù)升級，還將進(jìn)一步促進(jìn)相關(guān)技術(shù)和理論研究的發(fā)展進(jìn)步?！?/p>

自從2020年阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡坍塌后，全球天文學(xué)家的注意力都聚焦在FAST上。中國科學(xué)院院士、FAST科學(xué)委員會主任武向平也曾公開表示：“FAST將在2021年面向全球開放，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(yuǎn)鏡，一起為探索宇宙的奧秘、推動人類文明的進(jìn)步做貢獻(xiàn)，構(gòu)建人類命運共同體?！?/p>

對于中國做出的這一承諾，外媒報道稱：“中國FAST面向全球開放可以說是拯救了全世界的天文學(xué)家！”

對此，姚蕊認(rèn)為：“作為國之重器，F(xiàn)AST一方面為我們國家的天文事業(yè)做貢獻(xiàn)，另一方面，我們也希望向全世界展示中國從天文學(xué)領(lǐng)域到技術(shù)領(lǐng)域的出色能力，讓更多的科學(xué)家利用FAST得到更多、更好的科研產(chǎn)出。探索宇宙是全人類共同的目標(biāo)，F(xiàn)AST 的開放必將促成更多國內(nèi)外技術(shù)合作，進(jìn)一步提升全人類對宇宙的探索能力?！?/p>