建设中国天眼「FAST」有多难？需要攻克哪些技术难题？
2016 年 9 月 25 日，被誉为“中国天眼”的 500 米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST）落成启用。截止至今年 7 月，“中国天眼”已经发现了 660 余颗新脉冲星。今天，正值“中国天眼”落成六周年，让我们跟随 FAST 的总工程师姜鹏，一起了解一下 FAST 的建造初衷、到目前为止 FAST 都取得了什么样的科研成果，以及接下来 FAST 还有可能会给我们带来什么。 01 FAST 都在观测什么？ FAST 是一台射电望远镜，会在射电波段观测太空。射电波段的发现源于一次非常偶然的事件，对于射电天文学的研究，让我们有四个非常重要的新发现，即脉冲星、星际分子、微波背景辐射、类星体。其中，对于脉冲星的观测就获得了包括中子星的发现和引力波两项诺贝尔奖。 02 FAST 诞生的“原动力”是什么？ 想要获得更多、更详尽的天文学数据，就需要有更大接受面积的望远镜，对于光学望远镜如此，对于射电望远镜亦是如此。更大的接收面积，意味着会有更强的暗、弱信号探测能力，可以扩大观测样本数量，可以提高发现奇特天文学现象的几率，同时还能看到更远的天文学现象。一般来讲越遥远的天文学现象代表的是更早期的天文学现象，比如我们看到太阳是 8 分钟之前的，我们看到银河系边缘可能是十几万、二十万年前的，看到临近星系 M31 那是几万年前的，那么看到的类星体可能是一百多亿年前的，所以如果我们想看到更早期的宇宙现象怎么办？那只能朝更远的方向去看。 所以更大的望远镜对于我们回溯宇宙历史有非常大的帮助，而建设更大口径的望远镜，是科学家们永无止境的追求，过去如此，现在如此，未来也将会如此。建造 FAST 的原动力，就是为了能够看得更远，为了能够回溯宇宙更遥远的历史。 03 FAST 有什么特点？ FAST 作为球面望远镜，与传统望远镜有所不同。传统望远镜都是采用抛物面，将接收机放在抛物面的焦点上，就可以进行信号收集。那么球面和抛物面有什么区别呢？它们会有多大的偏离距离呢？这是很多人不曾设想的问题。上世纪 90 年代中国天文学家南仁东和他的同事通过计算，只要选择合适的交比，一个 300 米的抛物面，跟球面偏离只有 0.47 米，大概是 1.5 ‰左右，这很多人出乎意料。也就是这 0.47 米的偏离，成为了 FAST 建立的基石。 有了这个概念之后，就可以先建一个基准球面，稍微改变一下反射面形状（0.47米），就可以在这个球面上形成一个 300 米的抛物面。当我们在观测不同的天区的时候，只需要在不同的位置形成抛物面就可以，余下的问题就怎么把接收机以正确的姿态放在交点位置上就可以。 概念虽然简单，但是完善却花了大概十几年的时间，这个抛物面到底怎么变形？用什么载体变形？接收机用什么方式控制到交点上？这都是一直在探索的。最后 FAST 的系统是这样的：将近万根钢索形成的索网，挂在一个 500 米口径的环梁上，这个索网有两千多个主索位点，每个主索节点设置一根控制索，固定在地面的作动器上。科学家通过作动器控制就可以改变这个反射面形状，在它局部区域形成 300 米的抛物面，上面有 6 套索驱动，控制一个 30 吨的馈源舱，并在舱里面装上接收机，把它控制到交点位置上。同时设立了20 台全站仪，用来测量反射面形状和接收机的位置姿态，保证了接收机姿态的控制。最后形成了 FAST 这架极其复杂的望远镜系统。 04 FAST 有多大？ 我们都知道 FAST 的口径是 500 米，那么它具体是多大呢？我们如何给没有亲眼见过 FAST 的人量化“500 米口径”这个概念呢？有一位同事提出了这样一个说法：我们把 FAST 想象成一口锅，在这口锅里装满水，全球 70 亿人，每个人都可以从这口锅里分得 4 瓶矿泉水。 05 FAST 的建造有哪些难点？ 量变积累到一定程度就会产生质变，带来的工程难度也是极大的， FAST 的索网建造就是一个难点。 用来支撑球面的索网是一个变形的载体，就像气球一样，需要把“索”当成橡皮筋或者是弹簧来用。对于橡皮筋来说，可以拉长一倍甚至两倍，但是钢索的极限变形只有 3 ‰- 4 ‰，这个量是非常小的。 FAST 的抛物面有一部分是在球面下面，有一部分是在球面上面，也就是说连接抛物面的索网要向下拽拽得下来，向上松要松得上去。但是钢索弹性变形只有 3 ‰- 4 ‰，向下拽的时候不能拽断了，向上松的时候不能虚牵了，我们需要在 4 ‰的变形范围内，把“向下拽”和“向上松”这两个功能全部实现，并且还要刚刚好，两边留的余地都非常小。 不仅如此，钢索的加工精度也很重要，假设每根索引都长一毫米，最后索再松就松不上去了。此外，温度的变化也要吃掉一部分弹性变形，所以整个索结构加工的精度是极高的，而且留的余地是非常小，整个设计就像在一个独木桥上在行走，你稍微偏一点这个项目就失败了。 除此之外，为了保证没有其他无线电信号的干扰，FAST 选址在了贵州偏远山区，很多大型设备无法进场，所以大量的施工作业都是人手工完成的，还有包括 170 多米高的塔、38 米深的人工挖孔桩、近万根钢索都是在空中散拼的。这是凝结了我们劳动人民的智慧和巧妙的施工方式才能完成的大型项目。 06 FAST 的调试有哪些难点？ FAST 这套系统跟传统望远镜是不一样的，传统望远镜的抛物面跟交点上的接收机是天然匹配的，不管指向任何一个方向它都是天然匹配的。但对于 FAST 来说，它的反射面是 500 米跨度的索网、是近万根钢索编织成的复杂索网体系，上面是 600 米跨度的索驱动结构，外面是 30 多吨的馈源舱。这两套系统是完全独立的，而且两套系统都是柔性的控制系统，要在公里级的尺度上实现毫米级的定位精度，这是我们传统工业体育场不曾遇到的，对于传统的工程精度，500 米差 1 米，视觉上不会有任何影响，安全上也不会有任何影响。但是对于 FAST 来讲，几毫米的误差都会让天线效率下降。 此外，FAST 是在贵州野外多雨多雾的环境下工作，所有的测量控制都要有全天候实现的能力，这意味着大量的光学测量实验没法全天候使用，所有东西都要重新考虑。为了保证 FAST 的全天候运行能力，我们最后是采用的是卫星定位测量系统、惯导和激光全站仪的融合测量技术。尽管激光全站仪在雨天雾天基本没法工作，但是卫星导航和惯导依然可以保证 FAST 全天候的运行能力。 这套系统一方面将不同的测量手段结合，实现了优势互补；另一方面在精度上也有提升，并且更重要的是提高了 FAST 的耐气候能力。后续我们还用微波测距仪代替了激光全站仪。此外，我们还经常把 GPS “倒过来”用，把基准站作为天上的卫星，反过来照馈源舱，这样达到了全天候高精度的目的。 07 FAST 有哪些成就？ 从 1937 年到现在，射电望远镜已经发展了近 90 年的时间，我们的“中国天眼”在宇宙望远镜发展历史上划下了浓重的一笔，我们第一次站到了制高点，而且领先的不是一点点，在精度上领先了至少 2.5 到 3 倍的水平。 FAST 的灵敏度、全天候运行能力，以及每年 6000 多个小时的观测时长，都是我们一开始没有想象到的。 FAST 不光是一个性能卓越的射电望远镜，还是一台非常好用的射电望远镜。截至今日，科学家通过 FAST 发现的脉冲星数量已经超过 660 颗，这个数量是同一时期、国际上所有射电望远镜发现脉冲星总数的 5 倍以上。同时，FAST 运行两年期间还帮助科学家们取得了一些重要的科学成果，这些科学成果包括 5 篇发表在《自然》上的论文、1 篇发表在《科学》上的论文，其中一些科学成果还在 2021 年被《自然》评选为十大突破和发现。此外，2021 年中国两院院士评选的十大科学进展中也包含了 FAST 的成果 在这些科学成果中，比较有意思是快速射电暴，这是 2007 年才发现的新天文现象。快速射电暴是在千分之几秒的时间内，发出太阳数天、甚至一整年的能量的一种现象。科学家很好奇快速射电暴的来源是什么，但是一直没有清晰的探测到，直到具有超高灵敏度的 FAST 清晰地测到了电磁波偏转角的变化——这意味着磁层结构在这类天体中扮演着非常重要的角色，基本预测了它是来自遥远的磁星。 FAST 不仅可以用在科学研究，还可以用于实际应用。比如将 FAST 跟主动雷达配合的话，将有可能在一千公里级轨道上看到毫米级水平，即观测到地球同步轨道上 50 毫米范围内的物体。要知道现在航天发射任务都依赖于碎片的通量模型，需要躲开碎片，找到合理的发射窗口。但是此前通量模型都是用国外的模型，但是有了 FAST，我们完全可以建立自主可控的通量模型。 此外，FAST 还可以帮助我们进行近地天体预警。比如 2019 年，有一个小行星在地月六分之一距离与我们擦肩而过，人类之所以没有测到，是因为它来自太阳的方向，强烈的太阳光让我们无法清晰地用光学望远镜观测到小行星。但是如果用射电波段去观测的话，就有可能更早的把它探测到，所以它将来将会是一个近地天体防御的重要的战略支撑。 未来，FAST 还会带给我们无数的想象，比如在 FAST 上加个发射装置，又能做更多好玩的事情，让我们一起期待“中国天眼”给我们带来更多新奇的东西。 最后，让我们向“中国天眼”的建造者们致敬！  本文根据 FAST 总工程师姜鹏在星空讲坛的演讲整理 本文封面图片及文内图片来自版权图库图片内容不授权转载原创图文转载请后台回复“转载”