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(yuǎn)鏡FAST向全球開放 | 專訪

中國 “天眼” 又稱 FAST，是一臺(tái) 500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)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(qiáng)的射電望遠(yuǎn)鏡，沒有之一。


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)鏡可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(duì)宇宙的認(rèn)知，對(duì)于類星體、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（Arecibo）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 2020 年的兩次意外事故，最終其于當(dāng)年 12 月初坍塌報(bào)廢。
阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡屬于 “固定機(jī)位”，主體無法轉(zhuǎn)動(dòng)，只能通過改變饋源位置來掃描某個(gè)特定區(qū)域，而且其反射面是一個(gè)球面，反射的無線電波信號(hào)是平行的，因此得用超大饋源裝置才能將這些信號(hào)全部接收。為提高接收效率，后來阿雷西博改進(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”，它可利用自身眾多的反射面形成瞬時(shí)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(hào)，從而更利于追蹤移動(dòng)天體。
據(jù)悉，FAST 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(hào)，最遠(yuǎn)觀測范圍可達(dá)宇宙邊緣，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(dòng)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(gè)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?dú)w功于其搭載的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。對(duì)此，國家天文臺(tái)青年研究員、現(xiàn)任 FAST 運(yùn)行和發(fā)展中心機(jī)械組組長姚蕊告訴 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(tái)址減少了大量的建設(shè)工程，而良好的電磁環(huán)境更是射電望遠(yuǎn)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(hào)匯聚。
第三，自主研發(fā)輕型索拖動(dòng)饋源平臺(tái)和并聯(lián)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的高精度指向跟蹤。

FAST 建設(shè)之初對(duì)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(jì)。如果按照阿雷西博的設(shè)計(jì)思路，那么 FAST 整個(gè)框架和饋源艙的質(zhì)量將超過萬噸，顯然這將無法實(shí)現(xiàn)。
“FAST 建設(shè)團(tuán)隊(duì)將目光投向了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，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(tuán)隊(duì)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?！?姚蕊說道。

如上圖所示，F(xiàn)AST 的主動(dòng)變形反射面系統(tǒng)由圈梁、索網(wǎng)、反射面單元和促動(dòng)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(jié)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(shè)計(jì)，F(xiàn)AST 能在任意 300 米范圍內(nèi)形成一個(gè)高精度拋物面來匯聚射電波。概括來說，其開創(chuàng)了巨型射電望遠(yuǎn)鏡的建造新模式，突破了傳統(tǒng)全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡口徑百米工程的極限。
同時(shí)，F(xiàn)AST 超大的工程規(guī)模、嚴(yán)苛的精度要求、以及獨(dú)特的運(yùn)行方式也給研究團(tuán)隊(duì)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，“FAST 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 500MPa 應(yīng)力幅，這個(gè)要求甚至超過了國內(nèi) / 國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的 2.5 倍以上。當(dāng)時(shí)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，這種鋼索還被用于珠港澳大橋建設(shè)中?！?姚蕊說道。
兩級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)饋源毫米級(jí)精度控制在 FAST 接收面由球面變成拋物面之后，信號(hào)匯聚難題迎刃而解，接下來便是如何精準(zhǔn)移動(dòng)饋源艙進(jìn)行信號(hào)收集。據(jù)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(hào)。
“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 噸的饋源艙，在 140 米的高空、207 米范圍內(nèi)的球冠面上實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)精度控制?！?姚蕊表示。

據(jù)了解，F(xiàn)AST 饋源支撐系統(tǒng)所用的這種大跨度下并聯(lián)機(jī)器人的研究在當(dāng)時(shí)還是一片空白，包括研究方法、設(shè)計(jì)方法以及控制技術(shù)等都需進(jìn)行攻關(guān)。
對(duì)此，姚蕊說：“FAST 聯(lián)合很多高校團(tuán)隊(duì)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(yàn)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)用中得到了更廣泛關(guān)注，目前已大量地應(yīng)用于航空航天、船舶、倉儲(chǔ)等眾多領(lǐng)域?！?/span>
至此，信號(hào)的匯聚、收集工作已經(jīng)大功告成，最后就是信號(hào)的傳輸問題。
FAST 使用的通信光纜需要同時(shí)滿足 80 多個(gè)通道以進(jìn)行信號(hào)傳輸，同時(shí)光纜還需要隨著鋼絲繩進(jìn)行長度變化，這就要求光纜的數(shù)據(jù)帶寬足夠大，還要足夠輕，這對(duì)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，姚蕊告訴 DeepTech：“FAST 采用的動(dòng)光纜技術(shù)，也是 FAST 聯(lián)合國內(nèi)企業(yè)聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，最終成功開發(fā)出兼具質(zhì)量輕、帶寬大、耐用的 48 芯動(dòng)態(tài)光纜。”

另據(jù)悉，F(xiàn)AST 還采用全天候多手段測量技術(shù)，包括 GPS、全站儀和慣導(dǎo)技術(shù)等，通過不同測量手段的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、先進(jìn)自主技術(shù)的加持、以及實(shí)時(shí)保證饋源的精準(zhǔn)定位，F(xiàn)AST 最終實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)別的動(dòng)態(tài)精度控制。
而且，F(xiàn)AST 不受天氣因素影響，可實(shí)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(shí)可實(shí)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，那在太空中如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航？有一種方法是借助脈沖星，航天器飛出地球大氣層后，可通過脈沖星進(jìn)行定位和導(dǎo)航。
脈沖星是一種自旋非常快的超高密度天體，其輻射來自于自身強(qiáng)大磁場的極冠區(qū)，當(dāng)脈沖星輻射信號(hào)在極冠轉(zhuǎn)到地球視線方向的時(shí)候，射電望遠(yuǎn)鏡可以捕捉到脈沖信號(hào)。“脈沖星就好比是一個(gè)時(shí)鐘，若能發(fā)現(xiàn)信號(hào)比較穩(wěn)定的脈沖星，就等于為宇宙探測提供了一個(gè)很好的基準(zhǔn)?！?姚蕊指出。

正因此，脈沖星是射電望遠(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(duì)航天事業(yè)也具有重大意義。自 1967 年發(fā)現(xiàn)第一顆脈沖星至今，人類一共發(fā)現(xiàn)了 2700 多個(gè)脈沖星。
而 FAST 從 2016 年 9 月落成啟用，到 2020 年 1 月通過國家驗(yàn)收，含設(shè)備調(diào)試時(shí)間在內(nèi)的四年間便發(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(gè)計(jì)時(shí)陣，為今后測引力波、星際導(dǎo)航等提供幫助。” 姚蕊說道。
毫秒脈沖星，顧名思義它在幾毫秒便可自轉(zhuǎn)一周，而地球需要 24 小時(shí)才能自轉(zhuǎn)一周。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(duì)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。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(tuán)隊(duì)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，還可觀測早期星系的活動(dòng)跡象，探索宇宙的起源和奧秘，甚至還能發(fā)現(xiàn)未來可以適合人類居住的星球等等。
此外，F(xiàn)AST 在射電瞬變?cè)捶矫嬉灿泻艽鬂摿?，有望在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)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（Very Long Baseline Interferometry，甚長基線干涉測量技術(shù)）實(shí)現(xiàn)了地球直徑級(jí)別口徑，建設(shè) FAST 的意義何在？
憑借靈敏度優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)AST 有望主導(dǎo)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(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(gè)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‘看得清晰’?！?姚蕊指出。射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的分辨率不高，但可以 “聯(lián)機(jī)” 運(yùn)行，也就是使用兩臺(tái)位于不同地點(diǎn)的望遠(yuǎn)鏡接收來自同一天體的電波信號(hào)，然后將兩束電波進(jìn)行干涉，其等效分辨率相當(dāng)于一臺(tái)口徑為兩地距離的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，這便是前面的甚長基線干涉測量技術(shù)。
目前，科學(xué)家已利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了 “等效口徑相當(dāng)于地球直徑量級(jí)” 的射電望遠(yuǎn)鏡。

可能有人問，既然已經(jīng)擁有口徑相當(dāng)于 “地球直徑級(jí)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(duì)此，姚蕊指出，“VLBI 技術(shù)的目的是為了把望遠(yuǎn)鏡分辨率做得很高，但若是想要提高靈敏度只能增加望遠(yuǎn)鏡的口徑。FAST 的優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高，可以探測到更弱的射電信號(hào)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(hào)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(yuǎn)鏡的分辨率，但如果兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的靈敏度都不高，根本探測不到微弱信號(hào)，因此等效口徑再大也沒有實(shí)質(zhì)意義。
值得一提的是，得益于超高靈敏度優(yōu)勢(shì)和地域優(yōu)勢(shì)，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 向世界開放盡顯大國風(fēng)范
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。如今隨著 FAST 的誕生，這一格局被徹底扭轉(zhuǎn)，中國的科學(xué)家們有了更多的主導(dǎo)權(quán)。
FAST 最早是中國天文學(xué)家南仁東教授于 1994 年提出的構(gòu)想，由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)主導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì)建造，歷時(shí) 22 年建成。從預(yù)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(dǎo)作用，他更是我們的精神領(lǐng)袖。FAST 從提出到建設(shè)再到落成，期間有著太多的艱難險(xiǎn)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(lì)著大家沿著這條路堅(jiān)定不移地走下去?！?/span>
對(duì)于建設(shè) FAST 的意義，姚蕊表示，“FAST 將對(duì)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(dòng)作用。中國科學(xué)家可使用 FAST 觀測的時(shí)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)目標(biāo)和領(lǐng)域。在建設(shè)期，F(xiàn)AST 帶動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展，如今進(jìn)入運(yùn)行期，伴隨 FAST 后續(xù)升級(jí)，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(yuǎn)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(tái)世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，一起為探索宇宙的奧秘、推動(dòng)人類文明的進(jìn)步作貢獻(xiàn)，構(gòu)建人類命運(yùn)共同體。”
對(duì)于中國作出的這一承諾，外媒報(bào)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(duì)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)作貢獻(xiàn)，另一方面，我們也希望向全世界展示我們國內(nèi)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(duì)于宇宙探索的能力?！?/span>