“中国天眼”十岁了未来更精彩

中国天眼又“上新”了!9月16日，其银道面脉冲星巡天团队捕获一颗处于紧致轨道的双中子星系统脉冲星J1856—0039，是轨道周期极短、目前已知总质量最轻的双中子星系统。作为射电天文领域的国之重器，中国天眼(FAST)不断将我们的视野推向宇宙更深处，在脉冲星、快速射电暴、中性氢宇宙等前沿领域，一次又一次刷新着人类对于宇宙的认知。

今年是中国天眼建成十周年，作为目前世界上最大最灵敏的单口径射电望远镜，这个“最”的桂冠并非一蹴而就，它是怎么登上巅峰的？未来还将谱写哪些精彩篇章？

从看得见的宇宙到看不见的宇宙

人类对于宇宙的好奇和观测，可以追溯到千年以前。但在很长一段时间里，人们只能靠肉眼仰望星空。直到1609年，伽利略首次使用望远镜观测宇宙，才推开了近代天文学的大门。

在此之后的数百年，人们都依赖光学望远镜观测宇宙。直到一次偶然发现，为人类打开了宇宙观测的另一扇窗——无线电波段。

1931年，贝尔实验室的无线电工程师卡尔·央斯基监测到了一种近乎为24小时周期性的无线电信号。通过一年观测分析，他确认该信号源自银河系中心人马座方向，由此揭开了射电天文学的序幕。

1937年，另一位无线电工程师格罗特·雷伯受此启发，自掏腰包在自家后花园里打造了人类有史以来第一台完全用于天文观测的抛物面天线设备，也就是射电望远镜。至此，被星际尘埃遮蔽的广阔太空世界第一次开始向人类展露真容。

衡量望远镜有两个重要参数：灵敏度和分辨率。灵敏度决定是否“看得见”，而分辨率则决定是否“看得清”。望远镜的分辨率与工作波长和口径之比有关，而射电望远镜接收的长波电磁波波长达米级或者分米级，是光学望远镜接收的可见光波长的上百万倍。这意味着，射电望远镜需要做到光学望远镜的上百万倍，才能达到同样的分辨率。换言之，射电望远镜必须足够大才能看得清。

1963年建成的美国阿雷西博望远镜，口径达到305米，是当时世界上最大的望远镜。它通过发现并持续观测脉冲双星PSR1913+16，间接证明了引力波的存在，验证了爱因斯坦的广义相对论。从诞生之日起，阿雷西博望远镜统治了射电天文领域长达半个世纪。然而，随着天文研究不断向宇宙深处推进，阿雷西博望远镜的探测潜力日渐触及极限。怎么才能建出比阿雷西博望远镜更大、更灵敏的望远镜？换句话说，怎么才能把人类的视野再往前拓展一步？在这两个问题的驱动下，FAST的构想应运而生。

FAST的全称是500米口径球面射电望远镜。它究竟有多大？说500米，你可能没有任何感知。但如果把FAST想象成锅，里面装满水，那它可以分给全世界70亿人口每人4瓶500毫升矿泉水。

FAST全称中的另外两个字——“球面”也极其关键。射电望远镜反射面建成球面和抛物面各有其优劣。球面存在球差，平行电磁波经反射后不能汇聚到一个点上，而是会散成一条线或一个区域。而抛物面虽能将反射的电磁波汇聚到焦点上，但只有沿着抛物面对称轴入射的平行电磁波，才能被汇聚。

球面和抛物面，如何选择？我国科学家提出的方案是：都要!

那球面和抛物面的偏离距离具体有多少？很少有人思考，当时，中国科学院国家天文台南仁东先生领导的专家团队进行了计算，结果出乎预料。一个300米的抛物面，只要选择合适的焦比，它跟球面偏离的最大距离只有0.47米，大概是1/1000。

这是FAST成立的基石。

FAST建设中的三大突破

从理论构想到工程落地，我国科学家面前横亘着一连串“前无古人”的难题。

第一个问题：台址选在哪里合适？

对于FAST而言，选址并不是简单地寻找一块足够大的空地，而是要在全国范围内寻找一个条件近乎苛刻的地方。

首先，对地理区位条件要求高。有限的投资决定了只能选择一个天然的洼地。对于这样的超级工程而言，如果完全依靠人工开挖、建设基础结构，工程量将十分惊人，土建成本约50亿元，而FAST总投资约11.49亿元。要是洼地，同时就要有较好的排水能力。FAST拥有大量精密电子设备和控制系统，如果洼地长期积水，不仅会影响设备寿命，还会增加维护成本和运行风险。不仅如此，稳定的地质条件也是基础。对于一个大跨度精密工程而言，频繁地震、地质沉降或者岩体滑移都可能造成严重影响。

其次，台站优良电磁波环境必不可少。天文信号在人为干扰信号面前实在是太过微弱。从第一台射电望远镜诞生至今，人们接收到的太阳辐射以外的天文信号能量总和甚至不足以翻动一页书页。因此，周边人口稀少、优良的无线电环境是选址的必要条件。

经过初步条件筛选，贵州的喀斯特山区成了较为理想的选址区域。从1994年到2006年，12年间，科学家们通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个遍。南仁东和团队从200多张遥感图像里，挑选出所有接近圆形的洼地，然后闷着头钻进贵州的大山里，最终将目标锁定在了贵州平塘的大窝凼里。

第二个问题：怎么实现反射面从球面到抛物面变化？

正如前文所提到的，FAST用于观测的并不是整个500米口径的球面，而是在局部区形成一个300米抛物面。最开始提出的方案十分直接——在洼地内部建设2000多个几十米高的柱子，在每根柱子上安装促动器，再由促动器带动反射面板运动。但是，暂且不提几千个几十米高的柱子的土木工程量成本，如果促动器一旦坏了，修理起来十分麻烦。

因此，受到阿雷西博望远镜结构的启发，团队提出了一种大胆的设想：我们能不能做个网兜结构？网兜就像气球一样，拽一拽变成抛物面，松一松又变成球面，作为柔性系统也更好控制。具体来说，反射面是一张由6670根钢索编制的索网，挂在一个由50根巨大钢柱支撑的直径500米的圈梁上；索网上铺有4450块、380多种反射面单元；索网下方是2225根下拉索，每一根下拉索都被固定在地面上的作动器上，通过操纵作动器，拉动下拉索来改变索网形状，形成300米瞬时抛物面，从而对天文信号进行收集和观测。

要实现反射面可改变形状，就意味着构成索网的钢索需像弹簧一样有一定伸缩性。而这种钢索的疲劳强度是现有标准的两倍多，国际上都未有先例。不仅如此，每根钢索的加工精度还要达到1毫米，把传统标准提升了一个数量级。于是两年的时间里，科学家们持续全方位地改进索体工艺，一根钢索要进行200万次疲劳实验。经历了近百次的失败后，最终成功解决了这个关键问题，实现了3项世界创举：超大跨度、超高精度、主动变位式的索网结构。

第三个问题：怎么实现馈源的精准定位？

阿雷西博望远镜的馈源舱是一个重约900吨的三角形平台，与可移动的馈源臂悬挂在主反射面上空，由连在三座百米级铁塔的十几根钢索支撑着。巨大的平台，导致它天然地会遮挡很多电磁波，天线效率也只有50%左右。

FAST希望找到一种更轻巧的解决方案。

最终，中国科学家提出了一个大胆构想：用6根绳子挂住一个30吨的馈源舱，这意味着几乎对电磁波信号没有任何遮挡，天线效率非常高。但是，六根绳索悬挂的馈源舱就像一个巨大的摆锤，容易受到风力影响产生晃动；同时，仅依靠绳索控制，也难以满足馈源舱高自由度控制的要求。

那么，遇到一个问题就打一个“补丁”。靠着这一块块“补丁”，最终形成了FAST独具特色的三级控制模式——“粗调悬索+AB轴机构+精调Stewart平台”。AB轴机构装在馈源舱中，可以像手腕一样调整馈源舱姿态。而Stewart平台则加装在馈源舱底层，让接收机位置保持稳定进行二次精调。

FAST的建设是一个史无前例的超级大工程，涉及天文学、力学、机械工程和岩土工程等各个领域，并且每一个领域几乎都是开创性的工作。

将从“单眼”升级为“阵列”

2016年9月25日，FAST建成启用。

无可争议地，FAST超越了阿雷西博望远镜，成为世界上最灵敏的射电望远镜。不仅如此，不管任何环境、任何天气条件下，它都能做到细如发丝地控制精度。

工程建设的价值，要通过科学发现来体现。多年以来，FAST助力中国科学家取得了许多重大科学发现，而其中最具代表性的有两个。

第一个，是FAST观测发现了最短轨道周期的脉冲星双星系统。我们都知道地球和太阳的轨道周期是一年，而这套双星系统的轨道周期只有53分钟。这个发现的最大意义并不仅仅在于轨道周期最短，而是它恰巧处于一种极为罕见的演化阶段——从红背蜘蛛向黑寡妇系统转变的临界状态。长期以来，天文学家普遍认为这两类系统之间存在明确的演化关系，但始终缺乏关键的观测证据。FAST发现的这一脉冲星双星系统，则提供了重要的事实支撑，为人类理解双星演化路径，补足了曾缺失的最关键环节。

第二个，则是对纳赫兹引力波的探测成果。纳赫兹引力波由1983年Ronald W.Hellings和George S.Downs两位科学家预言。此后，全世界成立了数个引力波探测组织，想要证实这个预言的真实性。想要探测纳赫兹引力波，必须利用多个脉冲星。通过FAST对57颗高质量毫秒脉冲星的高精度测时，结合自主研发的数据处理算法，中国科学家仅用了3年出头的数据，就在“4.6西格玛置信度”下发现了纳赫兹引力波信号，误报率只有二十万分之一。而国际上，其他最高的置信度只有4.0西格玛。在这场20年前就开始的国际天文竞赛中，FAST帮助中国科学家不断提速，后发先至。

距离FAST建成至今，10年过去了。在此期间，射电天文的国际竞争从未停止，FAST的领先优势可能面临挑战。

未来，FAST将何去何从？作为单口径射电望远镜，FAST的分辨率天然地受到一定限制。例如在暗星系和快速射电暴方面，它能够观测到，但是无法定位到宿主星系，这严重限制了科学家在这些领域进一步取得突破。

尽管如此，FAST依旧有广阔空间。接下来，FAST正在推动FAST二期工程，通过建设配套天线阵列，将“单眼”升级为“阵列”。具体而言，就是在FAST周边建设数十台40米口径的天线，构建全球首个“以巨型望远镜为中心、中型望远镜环绕”的混合口径射电干涉阵列。未来，这些天线将与FAST进行联合观测，分辨率将提升到现有水平的200倍左右。这一升级方案，不仅将补齐FAST的分辨率短板，同时还可以进一步巩固已有的灵敏度优势，实现1+1远大于2的效能。(作者：姜鹏，系中国科学院国家天文台副台长、FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师。本报通讯员刘衍希整理)