FAST,神奇的“中国天眼”

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国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称fast）9月25日落成启用。它被誉为“中国天眼”，是目前世界上最大单口径、最灵敏的射电望远镜。它的落成启用，对中国的天文物理研究和加快创新驱动发展具有重要意义。

400多年前，伽利略首次端起光学望远镜朝向星空，为人类观测宇宙的奥秘开启了一个窗口。接着人们发现，天体除了发出可见光，还发出电磁波，于是用来观察、接收和分析深空中电磁波的射电望远镜就成为了天文学家的利器，它为人类探索宇宙打开了一扇大门。20世纪60年代天文物理学取得了四项非常重要的发现：脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子，这著名的“四大发现”都与射电望远镜密切相关。

物理学告诉我们，光波就是波长较短的电磁波，因而射电望远镜和光学望远镜实际上就是同一类工具，它们检测的只是不同波长的电磁波。这有点像体温计和气温表，它们的差别是测量温度的不同区域而已。射电望远镜的基本工作原理与反射式光学望远镜没有多大区别，都是依靠一块大型反射镜尽可能多地收集远处微弱的电磁波，然后反射聚焦到一个局部区域，最后把它记录下来供进一步的分析处理。

衡量射电望远镜性能的基本指标是空间分辨率和灵敏度，前者决定了区分天空中彼此靠近的射电点源的能力，后者反映了探测微弱射电源的能力。与光学望远镜一样，射电望远镜的分辨率和灵敏度主要决定于它的主反射镜的尺寸，夸张点说，那块主反射镜就像美女的眼睛，越大越好。

过去几十年中，射电望远镜的主反射镜越做越大，但大有大的难处。要把直径几十米的反射镜安装在高塔上，让它能转动自如，并且稳定地跟踪天体目标，这在技术上有许多的困难。

上世纪60年代中期，美国在中美洲的波多黎各利用一块天然洼地建成了直径305米的射电望远镜，它保持“最大口径射电望远镜”的冠军称号长达几十年。这次在中国贵州平塘山区建成的射电望远镜的孔径为500米，美国在波多黎各建造的射电望远镜只好屈居亚军了。

如此巨大的主反射镜，自重都在数千吨以上，把它们放置于活动支架上让其转动，这条路根本走不通。可行的办法是利用天坑似的洼地，首先造一个钢结构的圆环，然后把反射镜球面固定在圆环上。通俗地讲，FAST像是一口大锅，洼地则是支撑这口大锅的锅架。现在的关键是如何让这块主反射镜可以改变观测方向和跟踪被测的天体。这就涉及到中国FAST自主创新的两项核心技术：“馈源支撑系统”和“主动反射面单元”。

中国的FAST是球面形射电望远镜，其主反射镜的支撑面做成球形，馈源被六根柔性悬索吊挂在离主反射镜近百米的高空，馈源在同心球面移动时与主反射镜基准面保持等距，其定位精度达毫米级。而主反射镜做成分布可调单元，确保对馈源的每个瞬间形式抛物面，使有效反射面上的所有入射电磁波以点方式聚集于馈源上。从馈源得到的讯号经前置低噪声放大器放大后转换成中频，然后通过悬挂在柔性悬索上的光纤送至讯号处理中心。

建设FAST射电望远镜对天文物理学研究的意义十分明显，本文不再细述，这里有必要强调它在其他一些相关领域中的作用。由于FAST对深空电磁波观测的高分辨率和高灵敏度，它可参与中国航天工程中的测控系统，把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至整个太阳系，也可用它来接收深空卫星的通讯数据，把数据的下载速率提高100倍！FAST还可作为非相干散射雷达接收系统，提供高分辨率和高效率的地球中高层的大气、电离层和地磁场的有关参数，为子午工程（大型空间环境地基监测系统）作出贡献。

大型天文台的选址从来就是一个严肃的课题。这有点像男女相亲，选定合适的地点关系着天文台的一生一世。

这个为世人瞩目的射电望远镜建在中国贵州省黔南州平塘县大窝凼洼地，天坑似的洼地与500公尺反射镜地形匹配，减少了施工工程量，大窝凼的喀斯特地质特性可以避免雨水积聚导致天灾。大窝凼附近没有集镇和工厂，在5公里半径之内没有一个乡镇，25公里半径之内只有一个县城，远离各类人为电磁污染，是极为理想的选址。

把目前世界最大的射电望远镜选定在贵州平塘的山洼里真是棋高一招。除了媒体的报道，我对这个地区还有更深入的了解。贵州黔南地区冬暖夏凉，气温长年在20摄氏度上下，大型反射镜面金属材料的热胀冷缩问题容易得到控制。试想一下如果把它建在华北或东北，一系列的工程问题定会让建设者头疼。北国的冬天，千里冰封，万里雪飘，届时神奇的天眼大约也只能闭目冬眠了。而且黔南地区风速小，风向稳定，这点也很关键，否则跨度500米由六根柔性悬索吊挂在100米高空的馈源真会让人心忧！还有一点更为重要，贵州不是地震多发地带，大型精密工程建在四川、云南就不太合适。顺便提一下，正是因为拥有这些得天独厚的优势，贵州已经成为许多跨国公司建立云端服务中心的首选地。