震驚!世界最大射電望遠鏡在中國!主體完工,已進入調試階段

2021-01-18 新浪科技



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2016年7月3日，貴州黔南群山中的FAST望遠鏡工程大窩凼臺址現場，最後一塊反射面板緩緩起吊，在完成了二次空中轉接並用纜索吊下滑到指定位置後，被順利安裝在索網上。反射面工程也是FAST最後一個設備工程，其順利完成標誌著FAST工程主體工程的完工，將進入測試調試階段。

FAST真名叫「500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope， FAST）」，是目前世界第一大單口徑射電望遠鏡，今日完成安裝的主動反射面是FAST望遠鏡的重要組成部分，共有4450塊的反射面板單元，總重量超過2000噸，反射面總面積約25萬平方米，相當於近30個足球場，其工程量之大由此可見，是我國目前最大的天文工程。

FASTast望遠鏡建成後將超過全球現役最大球面射電望遠鏡——300米口徑的阿雷西博（Arecibo），成為世界上最大口徑的射電望遠鏡，與號稱「地面最大的機器」的德國波恩100米望遠鏡相比，靈敏度提高約10倍；與排在阿波羅登月之前、被評為人類20世紀十大工程之首的美國阿雷西博，其綜合性能提高約10倍，將在未來20~30年保持世界一流設備的地位。

理論上，FAST投入使用後，能接收到137億光年外的電磁號，接近於宇宙的邊緣，除了巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化，還將觀測脈衝星，研究極端狀態下的物質結構與物理規律；甚至可以搜索星際通訊信號，開展對地外文明的探索。


1994年就開始的選址工作

1994年4月，FAST項目啟動貴州選址工作，開始了為期13年的預研究；直到2007年7月10日， FAST項目正式立項。

▲ 大窩凼『快鳥』照片


▲ 原來的大窩凼住著12戶人家 後來整體搬遷

原本無比靜謐的貴州省平塘縣克度鎮金科村大窩凼窪地，是專家們先根據衛星遙感影像，對400多個備選窪地從形態特徵、水文、地質、氣象及電波環境等諸多方面進行初評，然後又通過計算機模擬工程填挖量，從中選出30多個實地考察，最後才選中了不大不小，深度合適，形狀很圓，適於施工建設的「大窩凼」。 這個天然窪地附近5公裡半徑之內沒有一個鄉鎮，25公裡半徑之內只有一個縣城，無線電環境「相當理想」，加上貴州南部喀斯特峰叢窪地的特殊地貌，天坑底部多有暗河和落水洞，FAST望遠鏡的底部在暗河基礎上又修了一公裡的引水渠，可以保障雨水向下滲透，不會腐蝕到望遠鏡。

利用貴州天然的喀斯特窪坑作為臺址是FAST工程的三項自主創新之一，但這樣有著天然優勢的地貌也給項目建設施工帶來了很大困難，在70度以上的峭壁上鋪設線路，必須用人力開挖，電纜和巨型設備也只能靠人力搬運，在天坑中建築空間騰挪不開，為此施工人員用人工把幾十座鋼梁和幾十段框架，一點點搬運到恰當的位置。

能動的「天眼」

FAST的天線鍋反射面口徑500米，基準狀態下呈現半徑300米的球面，反射面下有精巧的索網結構作為主要支撐結構，這些索網就是反射面「變形」的關鍵點，FAST索網是世界上跨度最大、精度最高的索網結構，也是世界上第一個採用變位工作方式的索網體系。

反射面索網安裝在格構式環形圈梁上，它有2402250個連接節點，在索網上安裝464500個反射面單元，節點下方小電機控制著6670根主索組成的網，形成了完整的主動反射面系統，能夠實現實時控制下形成300米口徑瞬時拋物面的功能。FAST的索網結構隨著天體的移動自動變化，把無線電波光聚集到焦點處接收，整個變形過程由雷射定位系統校準。

▲ 環形圈梁


▲ 反射面板安裝

別小看這看似簡單的「變形」，它可以讓FASTfast實現天頂角 40°的天空觀測天區，相對全球現役最大球面射電望遠鏡-300米口徑的阿雷西博（Arecibo），它的球面不能動只能在20°天頂角的工作極限，限制了觀測天區，特別是限制聯網觀測能力。「天眼」正是通過這個天線鍋傾聽來自宇宙的聲音，巨大的天線鍋，將微弱的宇宙電波收集起來，再將收集到的信號匯聚到具有極高靈敏性的接收系統上，還原、轉化、分析。

天眼的瞳孔：核心部件饋源艙

FAST在接收來自宇宙的電波方面的出色能力不僅依靠會動的巨大的反射面，還有個靈敏的核心部件——饋源艙。

▲ 核心部件饋源艙

「天眼」的上空，六條400多米的鋼索吊起一個30噸重類似飛碟的饋源艙，內設精密的接收器接收天線鍋反射的信號，饋源艙內安裝Stewart平臺（精調並聯機器人），輔助調整饋源艙的姿態角，正式投入使用之後，饋源艙會隨著探測的需要沿球面中心軸做上下運動。移動範圍達200米。

饋源就是天線，用來接收來自宇宙的無線電波，如果把FAST比作一個天眼，那麼饋源艙就相當於是瞳孔，起到一個聚焦的作用。在移動過程中，每一部分的位移都要控制在毫米級，「天眼」才能正常工作。它的定位精度直接決定著整個FAST望遠鏡系統收集到的無線電波的多少。

FAST 我們到底為什麼要建

半個多世紀過去了，所有射電望遠鏡收集到的能量還不夠翻動一頁紙。通過這隻「天眼」，人類究竟能發現什麼？

FAST的工程科學目標非常明確：

1） 巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化；

2） 觀測脈衝星，研究極端狀態下的物質結構與物理規律；

3） 主導國際低頻甚長基線幹涉測量網，獲得天體超精細結構；

4） 探測星際分子；

5） 搜索可能的星際通訊信號；

中國科學院國家天文臺FAST工程首席科學家、總工程師南仁東這樣描述存在於宇宙深處的各種訊息：「宇宙空間混雜各種輻射，遙遠的信號像雷聲中的蟬鳴，沒有超級靈敏的耳朵，根本就分辨不出來。」而「天眼」恰恰具備這樣的非凡本領，哪怕是遠在百億光年外的射電信號，它也有可能捕捉到。

首先，FAST能夠發現更多的脈衝星。脈衝星是大質量恆星演化的最終產物，是中子星的一種。中子星具有和太陽相當的質量，但半徑只有 10-20千米，為會周期性發射脈衝信號的星體，直徑大多為20千米左右，自轉極快（自轉周期是幾秒甚至幾個毫秒），是宇宙中旋轉冠軍。目前我們觀測到的約2000顆脈衝星均在銀河系內，FAST將對準銀河系外去發現更多奇特的脈衝星，期望找到前所未見的脈衝星現象，發現突破性的理論。

FAST還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫雲團的運動。所謂中性氫，就是宇宙中未聚攏成恆星發光發熱的氫原子，是一個質子加一個電子。本 來從遠處是看不到氫原子的，但質子和電子就像旋轉的星球一樣有磁極。如果電子磁極罕見地倒轉了，一種波長為21釐米的微弱電磁波就跑了出來。

監測21釐米波，不僅能判斷出哪裡存在大量的中性氫，還可以用來描繪星系之間的交互作用造成的重力擾動。FAST觀測中性氫信號，就能獲知星系之間互動的細節，還可能發現早期宇宙中剛剛形成的氫是怎麼運動的，從而為宇宙發育史提供線索。類似的道理，FAST還能監聽到一些太空有機分子發出的獨特電磁波，讓我們更精確地描繪出宇宙圖景。

至於能否發現外星人傳來的信號？FAST能從宇宙的今天看到很遠的地方去，有助揭開宇宙起源之謎，甚至是『地外文明』，宇宙中的生命體或高智商『外星人』若存在，他們的產生、遺留之信息，若存在於浩瀚天宇中，有可能會被FAST探測並接收到。（綜合新華社、科技日報等報導）

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