1、500 m 口径球面射电望远镜 (FAST) 南仁东 姜鹏 中国科学院国家天文台 1 射电天文学与射电天文望远镜光和广播电视信号都是以光速传播的电磁波, 区别只在波长。天体的辐射覆盖整个电磁波段, 从低频无线电一直到高能 X 射线和伽马射线。地球大气为人类观测宇宙开了两个窗口, 窗口波段之外的辐射被完全或部分屏蔽, 这些辐射需要空间观测。可见光窗口的波长范围是 4 0007 000, 中心的黄绿光波长 4 500, 太阳在这一波长辐射最强, 肉眼对于这一波长也最为敏感, 生命科学用进化论解释这一巧合。大气对波长毫米至几十米的电磁波也是透明的, 这扇门只有在人类发明了无线电技术之后才被发现。千百
2、年来人类只是通过可见光波段观测宇宙, 对天体辐射的性质只能是一孔之见, 图 1 中由左至右为 X 射线、紫外线、可见光与无线电波段所拍摄的太阳图像根本不同。图 1 不同射线拍摄太阳图象 下载原图1933 年美国贝尔实验室的央斯基, 在研究跨大西洋电报通讯的雷暴干扰时, 天空某个区域的电磁波干扰源和日月星辰一样有东升西落的性质, 经确认是来于银河系中心的电磁辐射, 以光学为传统的天文学从此揭开新一页。射电天文奉献了 20 世纪四大天文发现:脉冲星证认了预测的中子星;类星体有类似恒星的小角径, 星系尺度质量能量, 显示早期星系演化的激烈过程;星际分子改写早期生命起源;3k 宇宙微波背景辐射为大爆炸
3、宇宙模型提供观测证据。射电天文观测成就了 6 项诺贝尔物理学奖, 成为新思想新发现的摇篮, 丰厚的科学产出深刻地影响人类对自然的认识。由于工业技术的发展, 特别是电子学和计算机高新领域的进步, 天文科学研究、通信产业以及国家安全需求的推动, 射电天文探测能力发展到了鲜为人知的水平。其相对带宽超过 10 000, 为光学的 5 000 倍;分辨角, 即观测天体细节的能力比所有其他波段至少高出 3 个数量级;其灵敏度为 110W/ (Hzm) 。有好事者估计, 70 多年来全世界射电望远镜接收的天体辐射能量, 翻不动一页书。阅读宇宙边缘的信息需要巨大口径的射电天文望远镜。2 望远镜 FAST 的设
4、计与建设内容简介如图 2 所示, FAST 为一架口径 500 m, 利用已有的喀斯特洼坑为台址, 反射面能主动变形的球面射电望远镜。与国际已有的巨型单口径相比, 有 3 点重要主要创新: (1) 找到地球上最大最圆的喀斯特洼坑, 且工程地质水文地质的条件都合适望远镜建设的台址; (2) 在喀斯特洼地内铺设 500 m 口径的主动反射面球冠, 如图右左下方虚线所示, 通过主动控制在观测方向形成 300 m 口径瞬时抛物面, 将电磁波汇聚在焦点上, 关键之处是选择了约 0.46 的焦比, 在 300 m 的照明区, 抛物面与中性球面之间的差别只有 0.67 m, 通过廉价的机电控制很容易调整这样
5、微小的位移, 一旦反射面的这一部分变成了抛物面, 即可使用传统望远镜的接收技术, 实现宽频带观测; (3) 在 500 m 巨大的空降尺度, 处于焦点处的接收机与反射面之间不可能刚性联接, 如果采用 Arecibo 望远镜的指向跟踪平台方案, 其重量会超过万吨, 没有可行性。多年来发展了光机电一体化的索拖动技术, 使用 6 根钢索将接收机的馈源舱拖到焦点处, 附加一个精调机器人抵消钢索的震动, 实现高精度的指向跟踪。在馈源舱内配置多波段多波束馈源和覆盖频率 70 MHz3 GHz 的接收机系统;针对科学目标建设不同用途的终端设备。图 2 FAST 下载原图3 望远镜的科学意义与应用价值3.1
6、基础研究方向的科学意义FAST 涵盖广泛的天文学内容, 从宇宙初始混浊、暗物质暗能量与大尺度结构、星系与银河系的演化、恒星类天体、乃至太阳系行星与邻近空间事件等的观测研究, 它都具有非此莫属的竞争力。FAST 拟回答的科学问题不仅是天文的, 也是面对人类与自然的, 它潜在的科学产出也许我们今天还难以预测。(1) 巡视宇宙中的中性氢研究宇宙大尺度物理学, 以探索宇宙起源和演化。宇宙的重子物质含 76%氢和 24%氦, 氢是宇宙中最古老、最简单和最丰富的元素。基态中性氢原子不同取向的电子之间能级跃迁会在 21 cm 波长辐射电磁波。“宇宙的全部历史是用微弱的 21 厘米氢谱线写成的, 要阅读它需要
7、非常灵敏的望远镜”。不同红移的 21 cm 背景辐射能为我们提供有关大爆炸之后的暗纪、宇宙早期物质分布、天体的诞生及其演化、星系际和星际介质的分布和运动等内容丰富的信息。对中性氢 21 cm 谱线的观测研究一直是射电天文研究产出最丰厚的领域之一。对一小时积分时间盲探, FAST 可将宇宙观测距离延伸至 60亿光年距离, 对早期活动星系周围暖氢云, 可回溯至 110 亿光年距离, 重现宇宙童年时期的图像。(2) 观测脉冲星研究极端状态下的物质结构与物理规律。脉冲星是 20 世纪60 年代天文四大发现之一。脉冲星的质量密度高得惊人, 每立方厘米达亿吨;其磁场强度可超过地球磁场的十万亿倍;它是具有太
8、阳质量的天体, 其旋转速度竟达到 1 122 r/s, 它们的辐射常常覆盖从高能到射电辐射的电磁波谱, 脉冲星所提供的极端物理条件在地面实验室无法实现。脉冲星和脉冲双星的研究由于确认了中子星及间接证明引力辐射的存在, 分别获 1974 年和 1993 年诺贝尔物理学奖。迄今已发现脉冲星 1900 余颗。FAST 具有高灵敏度和大天区覆盖, 有利于发现更多脉冲星, 特别是发现更多弱脉冲星、毫秒脉冲星、脉冲双星、双脉冲星系统、脉冲星行星系统、河外强脉冲星、非球状星团毫秒脉冲星等罕见品种。根据计算机仿真, FAST 使用多波束馈源作 1 h 积分时间的巡视, 能用一年时间发现 4 000 余颗未知的
9、脉冲星。在这样巨大的脉冲星巡天样本中, 也许会找到目前尚未发现而可能存在的新品种, 例如中子星-黑洞双星, 这一系统中两颗致密天体的运动不受环境介质影响、没有相互的质量交流、不必考虑它们之间的潮汐作用, 可以不依赖模型更好地检验引力理论, 直接精确求解黑洞的质量。如果探测到自旋周期小于 0.5 ms 的奇异星或者夸克星, 将终止“中子星与夸克星”久而未决争论, 帮助人类认识超核密度物态规律。计算分析肯定, FAST 运行早期有能力在 M31 和 M33 中探测到第一颗真正的河外脉冲星。中性氢与脉冲星巡视被国内外天文界评审为 FAST 两个最高优先级科学目标。(3) 主导国际甚长基线干涉测量网获
10、得天体超精细结构。有 FAST 参加的洲际 VLBI 网观测, 基线检测灵敏度可提高 5 倍。网的分辨率不仅取决于最长基线的长度同时也和它的权重相关, FAST 处在所有国际网的边缘, 有它参加的 VLBI网有更高的分辨率。(4) 探测星际分子探索太空生命起源。FAST 设计工作带宽内包含羟基 OH、甲醇 CH3OH 等 12 种分子谱线。可对超强红外星系、高红移星系、活动星系和类星体进行 OH、CH3OH 分子超脉泽的广泛搜寻。天文学家在红移为 0.6 处探测到了最亮的 OH 超脉泽, 用的是 Arecibo 望远镜。如果用 FAST, 它可在 z1 处被探测到。如果将望远镜指向猎户分子云,
11、 可期待发现新的与生命现象相关的含碳长链有机分子。(5) 搜索星际通信信号寻找地外文明。“地球极限生命环境”的不断改写、地外水以及大量系外行星的发现, 使太空生命科学研究持续升温。寻找地外文明 (SETI) 的学科风险是不言而喻的, 但它一旦成功, 将使人类所有的科学成就黯然失色, 发达国家政府与民间对 SETI 的投入从未止步。和美国 SETI 研究所的凤凰计划相比, FAST 可将其类太阳星巡视目标扩大至少 5 倍。3.2 FAST 在国家重大需求方面有重要应用价值把我国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘, 将深空通讯数据下行速率提高几十倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的 120
12、ns 提高至 30 ns, 成为国际上最精确的脉冲星计时阵, 为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。进行高分辨率微波巡视, 以 1 Hz 的分辨率诊断识别微弱的空间讯号, 作为被动战略雷达为国家安全服务。可作为“子午工程”的非相干散射雷达接收系统, 提供高分辨率和观测效率;跟踪探测日冕物质抛射事件, 服务于太空天气预报。FAST 建设涉及了众多高科技领域, 如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理、超宽带信息传输、海量数据存储与处理等。FAST 关键技术成果可应用于诸多相关领域, 如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等
13、。FAST 的建设经验将对我国制造技术向信息化、极限化和绿色化的方向发展产生影响。4 结束语自 1994 年起, FAST 的预研究历时 15 年, 由中国科学院国家天文台主持, 全国20 余所大学和研究所的百余位科技骨干参与其中。得到了中科院知识创新工程首批重大项目、重要方向性项目以及国家自然科学基金重点项目的经费支持。FAST 有 5 项关键技术都已完成了分析论证和模型试验。2005 年 11 月中国科学院院长办公会决议, 通过了 FAST 项目立项建议的汇报;2006 年 3 月基础局主持召开“FAST 项目国际评估与咨询会”;2007 年 7 月国家发展和改革委员会批复 FAST 立项
14、建议书;2008 年 10 月国家发展和改革委员会批复 FAST 的可行性研究报告, 总投资 6.67 亿人民币, 项目工期自开工报告5.5 年;2008 年 12 月 FAST 初步设计报告和投资概算通过了由中国科学院和贵州省发改委主持的专家评审;2008 年 12 月 26 日 FAST 在贵州台址大窝凼奠基, 工程进入建设实施阶段。索网的合拢与调试、索驱动联调、反射面吊装、测控系统联调、接收机研制、观测基地建设等都在 2015 年完成。FAST 建设初期已取得的关键技术成果可应用于诸多相关领域, 如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。FAST
15、攻克了超大跨度、超高精度、主动变位工作模式索网结构的关键技术, 通过对超高疲劳性能钢索结构的研制实现了特种索材料的突破。这对我国甚至世界范围内的索结构工程技术都起到巨大的提升作用。FAST 解决了动光缆的反复弯曲、扭转等运动工况的疲劳寿命及光缆运动状态下的信号附加衰减的问题。FAST 还制造了许多适应复杂施工条件和大跨度安装困难的工艺设备。在此过程中, 形成了许多具有我国自主知识产权的专利技术, 提升了我国许多企业的生产、制造及安装水平。FAST 的建设经验将对我国制造技术向信息化、极限化和绿色化的方向发展产生影响, 已经并将继续为我国的经济建设和重大需求领域做出贡献。有了 FAST, 边远闭塞的黔南喀斯特山区将变成世人瞩目的国际天文学术中心, FAST 成为把贵州展现给世界的新窗口。以 FAST 为主体的天文科普基地建设将推进我国西部、甚至全国的科普工作, 教育青少年、向公众与决策层宣传, 为科教兴国的长远战略目标服务。2016 年 9 月, 世人瞩目的 FAST 呈现在全世界的面前, 相信 FAST 的建成将带来诸多惊喜, 为我们的国家带来更多荣耀。
