解密FAST望远镜的领先之处

　　出品：科普中国

　　制作：Get tech

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　从20世纪30年代初到现今，人类打开了天文观测的新窗口，通过非传统光学波段接收来自宇宙中的电波信号，获取、分析各种信息。

　　2015年8月2日，贵州喀斯特洼地建造的500米口径球面射电天文望远镜（FAST）第一块检测合格的反射面单元在工程现场成功吊装，这标志着世界最大的单口径射电望远镜施工进入最后冲刺阶段。

　　一、什么是FAST大型天文望远镜

　　射电望远镜（FAST——Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope）是国家科教领导小组审议确定的九大科技基础设施之一，采用独创设计，利用贵州喀斯特洼地的独特地形，建设的500米口径球面射电天文望远镜（FAST），约30个足球场地大的高灵敏巨型射电望远镜。

　　FAST大型天文望远镜发展脉络:早在1997年，LT（SKA）中国推进委员会提出建造。1998年，FAST项目委员会正式成立。选址在贵州黔南，因为地貌最接近FAST造型，工程开口量最小，喀斯特洼地雨水向下渗透不会腐蚀望远镜。附近的5千米半径内没有乡村，是最理想的无线电建设环境。

　　2015年8月2日，FAST首块反射面单元吊装成功。它的建成，将成为世界最大口径的射电望远镜。

　　二、望远镜的分类和FAST射电望远镜优势

　　天文望远镜按照探测的电磁波分类，分为射电望远镜（探测无线电）、光学望远镜（探测可见光）、红外线、X射线、伽玛射线望远镜。

　　射电望远镜按照形态分，可以分为球面射电望远镜、抛面射电望远镜、带形射电望远镜和望远镜阵（把单个射电望远镜连起来，收集单个望远镜的数据）。射电望远镜的作用主要是测量天体射电强度、放大射电信号接收机、信息记录处理显示系统、收集射电波的定向天线、测量频谱、偏振量等。

　　抛面的射电望远镜和球面的射电望远镜的区别在于，当电磁波平行入射，抛面的射电望远镜把电磁波聚焦在一个点上，球面射电望远镜只能把电磁波聚焦在一条线上。

　　FAST射电望远镜属于球面，望远镜四周有6座百米高的支撑塔，用钢索吊起了馈源舱。射电望远镜，通过反射聚焦，把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。FAST射电望远镜的一大创新点，是能主动反射电磁波，在采集数据上相对进步了许多。

　　FAST想要实现镜面式抛物面，进而能一次性将电磁波汇聚成点，因此整个望远镜镜面是由很多块小面板拼成，每一块都能在一定的范围内调整位置（如下图右）。

　　中国拥有FAST的自主知识产权。与号称地球最大的机器德国波恩100米望远镜对比，FAST的灵敏度提高了10倍；与美国Arecibo 300米望远镜相比，其综合性能提高约2.25倍(美国Arecibo 300米望远镜被评为人类20世纪十大工程之首)。它将对国际同类设备保持20年以上的领先水平，能够对脉冲星、类星体等各种暗弱辐射源进行更精密观测，也有可能找到宇宙中存在的其他生命体。

　　三、FAST射电望远镜的创新

　　前面提到，射电望远镜按照形态分，可以分为球面射电望远镜、抛面射电望远镜，FAST射天望在设计之初，设定了500m的直径，比FAST的前辈——Arecibo 305m 望远镜要有进步。它的主射面整体是不可动的，如果被设计成抛面，只能被动观测扫过它的视场内源，这对于巨大的积分面积、灵敏程度的优化都是没有益处的。但是球面设计也有缺点，球面射电望远镜只能把电磁波聚焦在一条线上。

　　FAST射电望远镜的创新就是主动接受电磁波。在主反射镜的每个面板上加入实时主动的控制技术，如上文所提到的，整个望远镜镜面是由很多块小面板拼成，通过主动变形技术实时把面板形成有效照明口径300米、焦比0.4665的旋转抛物面，主动聚焦，增加有效的积分面积，同时还可以增加观测俯仰范围，增加有效积分时间。

　　FAST的设计目标，是把覆盖30个足球场的信号，聚集在药片大小的空间里。确保钢结构不变形就是一大挑战，框架、索网、接收器，每一部分的位移都要控制在毫米级，FAST才能正常工作。选址在喀斯特地形下常见的“天坑”里，远离人烟，也是为了更好、更精准地确定信号的位置。

　　当然，以上的创新，只是FAST的部分创新。FAST在前辈射电望远镜基础上不断改进，相信未来会有非常出色的表现。

　　“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

　　本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。