FAST是怎樣煉成的

喻業釗 張逸

如今，提起“中國天眼”，可謂是家喻戶曉了。它的正式名稱是“500米口徑球面射電望遠鏡”，英文名為Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope（簡稱FAST）。FAST是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡。射電望遠鏡的口徑越大，通常意味著用以接收電磁波的面積越大，望遠鏡的空間分辨率和靈敏度也就越高，能觀測更小、更暗的天體。那么，我國天文學家為什么要建這么一個望遠鏡呢？難道就只是為了爭一個“世界之最”？當然不是。FAST的起源，遠比一般人想象中的復雜。

事情要從1993年說起。那年，第24屆國際無線電科學聯盟大會在日本東京舉行。會上，包括中國在內的10個國家的天文學家共同倡議，想要在人類科技將地球的電磁環境徹底污染之前，建造一個接收面積達到1平方千米的射電望遠鏡陣列。這個計劃剛提出來時稱作“大望遠鏡”，后來更名為“平方千米陣列（Square Kilometer Array，簡稱SKA）”。

對于“平方千米陣列要如何建設”的疑問，不同的國家提出了諸多的設計方案。這些設計方案大致可以分為兩大類：一類是以荷蘭、美國方案為代表的“大量小望遠鏡”方案;另一類是以我國、加拿大方案為代表的“少量大望遠鏡”方案。其中，在1994年，我國提出的方案KARST（Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope，即平方千米面積射電綜合望遠鏡）計劃在貴州南部大片的喀斯特地貌中尋找大小合適的洼地，利用這些洼地建造大約30個有效口徑200米的大射電望遠鏡組成的望遠鏡陣列，以實現SKA設計目標。KARST這個縮寫，本身就是“喀斯特”的英文單詞，正好與KARST方案利用天然喀斯特地貌的特點相呼應。寫到這兒，大家應該也都能猜到了，FAST應該就是KARST方案中的一個望遠鏡。猜得沒錯。那KARST方案中剩下的20多個望遠鏡呢？讓我們繼續往下講。

1994年，中國天文學家剛提出“平方千米陣列”方案時，就指出要利用天然的喀斯特洼地群。1995年，西安電子科技大學的段寶巖院士提出了饋源索驅動的概念。當時，世界上相似類型的大望遠鏡僅有美國阿雷西博305米射電望遠鏡一例。但是，阿雷西博望遠鏡懸掛饋源的平臺是固定不動的，也就是說吊著饋源平臺的索纜是不用伸縮運動的。阿雷西博望遠鏡饋源的位置調整，需要依靠饋源平臺上大型的運動機構，導致阿雷西博整個饋源平臺重達900噸。基于段寶巖院士提出的饋源索驅動方案，我國望遠鏡的饋源是依靠調整吊著饋源的索纜長度實現的（還要有額外的精調機構）。饋源索驅動方案可以大幅降低饋源平臺的重量，但頻繁調整索纜長度會縮短索纜的使用壽命，對索纜的抗疲勞能力要求很高。一言蔽之，KARST單元的實現方案存在著一定的不確定性。為了增強KARST方案的競爭力，驗證其方案的可行性，1996年，中國天文學家提出先建設KARST方案中預定的30個大望遠鏡中的一個。而這個望遠鏡就是后來的FAST。1997年，北京天文臺（現在的國家天文臺）的天文科學家邱育海提出主動反射面概念，即用于觀測的反射面區域，可以從原本的球面變為拋物面。至此，FAST的整體設計概念確立。

早期的FAST 設計方案概念圖，其中包含利用天然喀斯特洼地、饋源索驅動（當時方案為3 個支撐塔）和主動反射面（紅色區域為示例的變形區域）。

KARST 項目在貴州南部選出的部分候選臺址，不同顏色的點表示該洼地由對應數目的山峰所圍成。

與此同時，我國天文學家也在尋找適合放置KARST望遠鏡的洼地。1994年，時任北京天文臺副臺長的南仁東找到遙感與數字地球研究所（以下簡稱：遙感所）的領導協助選址。當時遙感所的領導為南仁東推薦了專門做洼地研究的聶躍平。聶躍平是貴州省黔南布依族苗族自治州獨山縣人，他敏銳地意識到，就在他的家鄉貴州黔南，應該就有KARST項目所需要的洼地。聶躍平帶領研究團隊利用遙感數據在貴州南部找出了400多個洼地。但因為當時遙感數據精度較差，只有幾十米，這些洼地究竟哪些能符合要求，還得實地確認。他們通過地圖對比，在這400多個洼地中選出了100多個，然后一個個地進行實地考察。

1999年，KARST先導單元——FAST獲得中國科學院知識創新工程的支持，由概念預研究轉入實驗研究階段。2000年8月10日，在英國曼徹斯特召開的國際天文學會大會上，中國、澳大利亞、加拿大、德國、印度、意大利、荷蘭、波蘭、瑞典、英國和美國共11個國家聯合成立了“國際平方千米陣執行委員會”。當時，國外媒體報道了這一喜訊，并公布了當時的5種技術方案。其中，我國的KARST方案名列榜首。

國外媒體對“國際平方千米陣執行委員會”的成立進行的報道。左側5 張圖片為當時“平方千米陣”的5 種實現方案，最上方為我國的KARST 方案。

FAST 項目奠基碑，碑后刻有詩文：“北筑鳥巢聚圣火，南修窩凼落星辰”。

到2004年，“國際平方千米陣執行委員會”篩選出4個候選臺址，其中一個就是我國的KARST方案。2005年，國際平方千米陣電磁波環境監測小組分別對這4個候選臺址展開了6～8周的環境監測。到2006年，“澳大利亞-新西蘭方案”和“南非-非洲8國方案”被優選出來。而我國的KARST方案落選，不再參與國際競爭。

KARST方案的落選，主要的問題并不在方案本身，而在于平方千米陣被提出的10多年間，隨著科技的發展，天文學家對平方千米陣提出了更多的科學目標，其技術指標也隨之改變。一開始，平方千米陣的科學目標主要是高紅移中性氫，所以其觀測頻率上限只要求達到1.4吉赫茲，且最初平方千米陣中最遠2個望遠鏡之間的距離只要求達到300千米。后來，隨著科學目標的增加，觀測頻率上限提高到了22吉赫茲。對空間分辨率要求的提高，使得對最遠2個望遠鏡的距離要求提高到了3000千米。我國的KARST方案顯然無法達到要求。這是因為貴州多陰雨天氣，會影響10吉赫茲以上的射電天文觀測。此外，貴州喀斯特地貌的分布也遠沒有3000千米那么廣闊，難以承載那么大的陣列。

雖然KARST項目最終沒能成為平方千米陣的實現方案，但我們前文提到的在1999年就已經獲得中國科學院支持的KARST先導單元FAST項目還是繼續得到了推進。2007年7月，FAST項目獲得國家發展和改革委員會的批復正式立項。2008年10月，國家發展和改革委員會批復FAST項目可行性研究報告。2008年12月26日，FAST項目正式奠基。隨后，該項目相繼完成征地拆遷、修建進場道路等工作。2011年1月23日，FAST臺址開挖開工儀式舉行。2013年12月，FAST圈梁鋼結構合攏。2014年11月，FAST饋源支撐塔通過竣工驗收。2015年2月，FAST索網合攏。2015年11月，FAST饋源艙（當時使用的不是真正的饋源艙，而是一個代替品）首次升艙，饋源艙停靠平臺通過驗收。2016年7月，FAST反射面板鋪設完成，FAST主體完工。2016年9月25日，FAST項目竣工。

經過多次優化設計，最終建設完成的FAST望遠鏡與最初的設計方案并不完全一致。我們現在看到的FAST望遠鏡主要由反射面（即所謂的“大鍋”）、6架饋源塔和饋源艙（有時被通俗地稱為FAST的“眼珠子”）3部分組成。那么，FAST又是怎樣接收外太空信號的呢？

結合FAST望遠鏡的光路圖，我們來了解一下它的工作原理。在光路圖中，最下方黑色曲線表示望遠鏡反射面（直徑為500米，呈球面）。反射面上方的黑色虛曲線表示望遠鏡焦面。當FAST觀測不同位置的天體時，饋源（圖中綠色、紅色多邊形）要移動到焦平面上相應的位置。觀測的時候只使用對應區域直徑300米范圍的反射面板。以光路圖中觀測S1處的星星為例，由饋源塔發出的6根鋼纜伸縮變化，移動饋源艙。饋源艙中的精調機構再做精細調節，最終將饋源定位在光路圖中綠色多邊形對應的位置。饋源向著反射面有一個120度的張角，張角范圍內的反射面板會在索網和觸動器的共同作用下變形為一個拋物面（紫色虛曲線）。這時，從S1處發出的平行光會被紫色虛線的拋物面反射并匯聚到饋源處。饋源就如同一部收音機，會將電磁波信號轉變為電壓信號，并經過放大、濾波等處理，然后將信號傳送到觀測中心進行進一步的處理和儲存。

FAST望遠鏡光路圖

雖然FAST只是未能實現的KARST項目中極小的一部分，但當時在提出FAST的時候，我國天文學家們就清楚地認識到，我們應該使得FAST能獨立擁有強大的觀測能力。當時世界上最大的單口徑射電望遠鏡是美國阿雷西博天文臺的305米射電望遠鏡。阿雷西博望遠鏡和FAST一樣都是固定式望遠鏡，它的口徑雖說有305米，但實際使用的時候一般只能用到200米左右。另外，它只能觀測天頂角（距離天頂的角度）小于20度左右的范圍。而FAST望遠鏡有效口徑達到300米，觀測天頂角最大可到40度。不管是靈敏度還是觀測范圍，FAST都超過阿雷西博望遠鏡。

FAST落成之后，的確沒讓大家失望。強大的靈敏度讓它即使還處于調試階段，就發現了上百顆未知的脈沖星，還能對一些已知的脈沖星做更好的觀測。開放國內觀測申請之后，FAST還在快速射電暴的觀測上取得了重大成果，其中有2篇相關文章刊登在了國際著名的《自然》雜志上。如今，FAST望遠鏡正按著設計者的構想，獨立于KARST項目作出重要的貢獻。2021年4月1日，FAST向國際開放觀測申請，相信會有越來越多的重要觀測成果出現。

致謝：本期專題感謝貴州省普通高等學校青年科技人才項目（編號：黔教合KY字[2019]214）、黔南民族師范學院高層次人才研究專項項目（編號：QNSY2019RC01）支持。

名詞卡片

饋源：它是指望遠鏡用來接受宇宙信號的裝置系統。如果把FAST比作一只眼睛，那么饋源就相當于它的視網膜，所有收集到的宇宙信號都要匯集到這里。