大国重器“中国天眼”

王铁柱

　　出品：新浪科技《科学大家》 墨子沙龙　　　　

　　姚蕊：国家天文台青年研究员，中科院青促会会员，FAST运行和发展中心机械组组长。主要研究方向为天文技术与方法、索并联机器人，2018年入选《麻省理工科技评论》35名“35岁以下科技创新青年”中国区榜单。

　　（内容来自墨子沙龙“中国的大科学装置”活动）

王铁柱

　　前面两位老师给我们带来很多科学之美（见：核电站内捕捉幽灵粒子；在地下2400米看宇宙），受到他们的启发，你可能想成为一个科学家。我虽然来自国家天文台，但我是做工程出身的，所以我今天会给大家更多的介绍在FAST工程中的一些故事，我希望现场的小朋友可以受此启发，能成为一个工程师。

　　我是国家天文台的姚蕊，我今天带来的内容是“中国天眼”。实际在很长的一段时间我们都称它为FAST，在2016年的时候，总书记将其誉为“中国天眼”。有人说FAST是不是代表希望望远镜建得更快，其实不是，它就是简简单单的“500米口径射电望远镜”的英文缩写，这就是做工程的人最朴实的东西。

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　　经历了22年，望远镜在2016年建设完成，在今年的3月31日正式向全世界开放了。FAST具有特别优异的灵敏度。灵敏度指的是，到底能探测到多微弱的信号。那么如何得到暗弱的信号？对于射电望远镜来讲，非常简单粗暴，就是要大面积。面积越大，同时接收信号的能量就越多，那么它的灵敏度也越高。FAST建成之后，它的灵敏度是当时的Arecibo的2.5倍，占据了世界射电望远镜的制高点。

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　　我做FAST已经有15年了，我刚刚接触FAST的时候，还在学校做学生，做报告的时候，经常老师会问你：做的这个东西到底是什么？什么是射电望远镜？很多时候我们提到望远镜更多的是停留在光学望远镜（工作在可见光波段）的层面，通过这种光学望远镜去看星空、看银河。到底什么是射电望远镜，国家天文台的老师告诉我们，就把它想象成一个天线大锅，就像我们的天线一样，去接收无线波段的信号，主要是集中在毫米、厘米、分米、米的范围。FAST主要是工作在分米到米的范围。

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　　射电望远镜的历史，远远没有光学望远镜那么久远。上世纪30年代，卡尔·央斯基一次无意的发现标志着射电天文的诞生。它诞生时间虽然很短，不足百年，但是它却在上世纪的60年代有了四大发现，包括脉冲星、星际分子、微波背景辐射和类星体，还得到了相应的诺贝尔奖。所以可以看到，在上世纪60年代70年代，大量的射电望远镜在建设。这也是FAST为什么要开始建设的一个原动力。

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　　在1994年，国际无线电大会提出了一公里平方阵的设想。一平方公里阵就是说通过很多个射电望远镜来一起组成一个射电望远镜阵，然后来达到一个高的分辨率，同时也希望能达到尽可能高的灵敏度。但是在上世纪90年代，中国要参加国际项目的话，会遇到非常多的阻力，也就因为这种阻力的情况，南仁东先生最早提出了我们中国要不要自己建一个射电望远镜，这就是最初的一个原动力。要建立自己的射电望远镜，不再需要去那么辛苦地申请国际上的射电天文的观测时间，并且能得到的时间也非常短。

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　　建设什么样的射电望远镜，在最初的时候有一个考虑。你会发现通过几十年的增长，它的口径最大也不过百米左右，这是因为从它的结构上来讲的话，更大的口径会对它底下的动力学，还有它结构的安全性、结构精度等等有很大的影响。所以很大程度上讲，对于这种望远镜，构型百米似乎就是极限了。

　　射电望远镜希望达到一个高灵敏度的话，必须要扩展它的面积，怎么办？很多时候，人们会把目光投向美国的Arecibo，这个射电望远镜是在上世纪60年代建立的，通过了两次改造之后，它变成了现在的样子。也很不幸，在去年的时候，它已经彻底告别了我们。但是这个确实是突破百米极限的一个新的概念。

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　　在最早的时候FAST就是参照Arecibo来进行的设计。其实，很多时候看到现在的FAST的样子，都会跟Arecibo 联系在一起。看看下面这张图，是在上世纪95、96年的时候，FAST进行一些立项申请时候的手绘图。从这里看到它几乎就像一个Arecibo 的翻版，只不过把尺度变成了500米口径，仍然考虑是一个球面，上面还是一个线馈。而当时的概念有一个不同的地方，就是国内的科学家非常大胆地想不再用几个固定的钢丝绳，而是用一个活动的钢丝绳去牵引线馈来回的运动——在一个比较大的天区里面进行运动，不再建像他们那样一个那么大的三角形的中间的钢性框架。因为我们发现，如果500米口径的望远镜建成那样子的框架，中间框架要上万吨，根本没有办法建设。

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　　当考虑到已经可以把上面的部分活动了，那么下一步能不能把下面的反射面也活动一下，就是不再用一个球面的反射面，用抛物面，这可以最大限度地将抛物面中间的信号汇聚到焦点位置。那么如果一个500米口径的望远镜只是一个抛物面的话，就代表我只能接受天区上面一个角度下来的信号，那怎么行。所以又换了一个概念。在300米的尺度范围之内，当选择了合适的焦比，从抛物面到球面的一个变形量是不到半米的。我们能不能去建一个可以实时活动的抛物面，虽然是500米口径，但现在的瞬时的有效的接收面积是300米，就在这300米的范围之内把它从球面变成抛物面，然后最大程度地把这300米范围之内的能量全部接收进来，是不是就可以来实现最新的一个概念。有了当时的一个设计图，底下的反射面可以实时的进行变形，当它变形可以想象500米口径的球面里面，可以变形成无数个300米口径的抛物面，那么这无数个300米的抛物面，它的焦点就会变成一个焦面，焦面会位于整个反射面上方140米到170米，开口口径在206米的一个球冠面。

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　　钢丝绳牵引变成一个很好用的方式，可以牵引中间的馈源舱在200米的范围之内来进行运动，然后能到达无数个焦点的位置。但是这样的精度需要多高？观测的频段是在70M到3G赫兹，也就是常说的厘米波到米波的一个范围。这样的话对于它的控制精度的要求就要求反射面300米的面型精度要控制在四毫米以内，馈源舱中间的馈源的向心点的精度是需要控制在毫米量级。而现在用的钢丝绳就足足有46毫米的直径，所以也就是说，我现在控制的精度比钢丝绳的直径还要小。