靈敏度竟然是德國10倍，為什麼中國天眼技術讓歐美俯首稱臣？

靈敏度竟然是德國10倍，為什麼中國天眼技術讓歐美望塵莫及？

中國天眼，是世界已經建成的最大射電望遠鏡。而500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）英文簡稱恰好是FAST。

這個射電望遠鏡藉助了天然的圓形熔巖坑建造。FAST的反射鏡邊框是1500米長的環形鋼梁，而鋼索則依託鋼梁，呈現出球形網狀結構。

FAST臺址在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村的大窩凼窪地。

為什麼把中國天眼選址在貴州的「大窩凼」？

有三方面原因考慮：首先是地貌最接近FAST的造型，工程開挖量最小；其次是這裡的喀斯特地質可以保障雨水向地下滲透，不會在表面淤積而損壞和腐蝕望遠鏡；再次是射電望遠鏡需要一處安謐的「靜土」，「大窩凼」附近5千米半徑之內沒有一個鄉鎮，無線電環境純淨理想。

FAST的反射面總面積大約25萬平方米，用來匯聚無線電波、供饋源接收機接收。 2016年9月25日，500米口徑球面射電望遠鏡落成啟用，這個設備能窺探到百億光年之外的信號。

2017年10月10日FAST發現6顆脈衝星；12月又新發現3顆脈衝星，共發現了9顆脈衝星。2020年1月11日，fast通過國家驗收正式開放運行。截至2020年3月23日，已發現並認證的脈衝星達到114顆。（脈衝星，就是變星的一種。脈衝星是在1967年首次被發現的。當時一名女研究生貝爾，發現狐狸星座有一顆星會發出一種周期性的電波。經過仔細分析，科學家認為這是一種未知的天體。因為這種星體不斷地發出電磁脈衝信號，就把它命名為脈衝星。）

中國天眼起源於中國天眼之父中國天文學家南仁東，他是中國科學院國家天文臺研究員，曾任FAST工程首席科學家兼總工程師，負責國家重大科技基礎設施500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)的科學技術工作。

南仁東1963年就讀於清華大學，在中國科學院研究生院獲碩士、博士學位。後在日本國立天文臺任客座教授，1982年，他進入中國科學院北京天文臺工作。1994年起，一直負責FAST的選址、預研究、立項、可行性研究及初步設計。作為項目首席科學家、總工程師，負責編訂FAST科學目標，全面指導FAST工程建設，並主持攻克了索疲勞、動光纜等一系列技術難題。2016年9月25日，他主持的FAST落成啟用。

2017年9月15日晚，南仁東因病逝世，享年72歲。 2018年12月18日，黨中央、國務院授予南仁東同志改革先鋒稱號，頒授改革先鋒獎章，並獲評"中國天眼"的主要發起者和奠基人。

1993年，在日本國際無線電科學聯盟大會上，科學家們提出，在全球電波環境繼續惡化之前，建造新一代射電望遠鏡，接收更多來自外太空的訊息。南仁東跟同事們說:"咱們也建一個吧。"

1994年7月，500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)工程概念提出。

1994年始，南仁東提出利用喀斯特窪地作為望遠鏡臺址，建設巨型球面望遠鏡作為國際SKA的單元，開始啟動貴州選址工作。為了給500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)工程選址，他帶著300多幅衛星遙感圖，長期途跋涉在中國西南的大山裡，先後對比了1000多個窪地，時間長達12年。

為了中國天眼，南仁東放棄國外比國內高出300多倍的高薪，毅然回國。正如很多文章所說:沒有南仁東，就沒有「中國天眼」FAST。南仁東的學生甘恆謙說，南仁東把自己與「天眼」牢牢綁在了一起。「這二十幾年，南老師沒幹別的。」

值得一提的是，南仁東帶領團隊克服了無數技術難關。尤其是FAST所克服的索網疲勞關鍵技術，成就了世界上跨度最大、精度最高的索網結構，並且還成功應用到港珠澳大橋和平塘特大橋等重大工程之中。

中國天眼工作原理及作用

首先，天眼運行的原理是按照大家平常看到的衛星鍋原理建造而成的，而這口大鍋可以接收到宇宙外太空的一些電磁波信號，其中最大的功能就是有助於發現在外太空的中子脈衝星，而脈衝星的發現有助於我們在太空當中的定位和時鐘的精確度，所發現的速度是其他天文望遠鏡的10倍。

其次，有助於發現一些早期的一些星系活動跡象，並且有利於發現行星恆星的運動軌跡發展軌跡。

再次可以像雷達一樣具有很強的監測系統，能夠捕捉到來自太陽系任何一個地方發射過來的微弱的電磁波。將監測的範圍擴大到從月球範圍延伸到太陽系以外，將升空當中的數據，速率提高到幾十倍，假如沒有天眼的話，以現在的手機流量這樣的速度將會慢到我們無法想像。

最後，有利於我們尋找到與地球相似的類地行星，為未來的星際移民做好基礎準備。

中國天眼是全球最口徑最大，最具有威力的單天線的射電性望遠鏡，其接收信號的能力位居全球之首。接收信號最具靈活性，和以前德國波恩100米望遠鏡相比，靈敏度是德國的10倍，和美國300米望遠鏡相比，綜合性能也是美國的10倍。

中國天眼望遠鏡屬於射電望遠鏡，所以它的工作原理與有鏡頭的光學望遠鏡沒有太大的區別。不同的是，光學望遠鏡是通過光學鏡頭接收電磁波信號，接收的是在可見光範圍內的電磁波，能夠直接形成可視圖像。

而射電望遠鏡沒有光學鏡頭，它是通過各種形狀的天線接收可見光範圍以外的電磁波（和太陽灶中聚光鏡的原理差不多），然後通過計算機處理轉換，形成可視圖像。這種經過轉換的可視圖像的清晰度無法與光學圖像相比。

但射電望遠鏡可以通過調節，接收各種波長的射電信號，使得接收到的信號的波長範圍大大地擴展了，因此，可以從中得到同一天體或天體系統與可見光下展現出的不同的性質並開展研究。

雖然中國天眼功能強大且先進性，但在國際上的評價也是褒貶不一。一部分人認為中國天眼或會暴露地球的坐標位置，理應將其關閉；而另一部分人認為中國天眼極有可能成為人類找到外星生命的重要發現工具，尤其是中國天眼的開啟能及時幫助人類去提前預知一些有可能到來的危險，因此不應該關閉。

在不同觀點中，仍然有 21 世紀最偉大科學家、英國著名物理學家霍金的不同觀點及反對意見。，霍金認為天眼的性能和作用雖然非常大，但是也有很多潛在的危險。他擔心一些更高級別、文明的外星人會順著天眼的蹤跡找到地球，屆時或對於地球來說將會是一場災難。

其中還有一個原因，是在1964年，蘇聯天文學家尼古拉·卡爾達舍夫設想了外星文明的等級，並提出卡爾達舍夫等級，該等級將宇宙文明分為了三級，等級越高則意味著該文明的文明程度更高級，而人類的文明等級按照它的分類連一級文明都達不到，按此等級顯然人類根本不是外星文明的對手。

所以中國天眼剛提出就遭到了霍金反對，不過我國建造中國天眼的主要任務其實是探索脈衝星，探索外星文明並不是中國天眼最主要的任務。

什麼是脈衝星呢？

所謂脈衝星是高速自轉的中子星，因不斷地發出電磁脈衝信號而得名，1967年首次發現，脈衝星會周期性發射脈衝信號，脈衝星也有自己的磁場，並且它也會轉動，和地球一樣可以自轉，並且其自轉速度很快，自轉周期達到0.0014秒。

2003年12月，在Nature上的一篇研究報告宣布發現了脈衝星PSR J0737-3039，後澳大利亞Parkes天文望遠鏡的數據在重新分析時，研究人員發現該中子星實際上也是另一顆脈衝星，因此人類發現了第一個雙脈衝星體系——PSR J0737-3039 A/B。

脈衝星的研究將有助於人類研究宇宙，了解星體塌縮並且揭示宇宙誕生和演變的奧秘。目前中國天眼已經發現了上百顆脈衝星，截止2019年8月500米口徑球面射電望遠鏡已發現132顆優質的脈衝星候選體，其中有93顆已被確認為新發現的脈衝星。

當時，中國天眼最早由我國天文學家南仁東於1994年提出大膽構想，很多人都認為是不可能完成的項目，畢竟當時中國技術還達不到先進，因為當時中國射電望遠鏡口徑只有僅僅30米，所以，500米射電望遠鏡被認為過於龐大，沒有想到的是，中國天眼不但成功實現，而且在不斷發現脈衝星。

其實，中國天眼的建造成功秒殺了國外大量先進的望遠鏡設備，並且可以觀測到更遠、更清晰的外太空。中國天眼甚至於可以觀察到幾百億光年的天體，因此，這項成就或讓很多外國人眼紅，要求關閉的聲音也不排除別有用心部分。

其實，外國許多專家的擔心都是多餘的，因為中國天眼的任務並非是探索智慧文明，而是探索宇宙。中國天眼目前已向宇宙發射的上百顆電磁脈衝信號，其中有一顆星球回應發出了電磁脈衝信號，對此發現也令很多專家驚嘆不已。對於這顆星球回應發出的電磁脈衝信號的初衷不得而知，很多專家認為，可能是發出的尋找信號。

即便如此，外星文明一直是科學家長期以來都在辛勤探索的目標，宇宙浩瀚無垠，存在著各種各樣的天體，地球只是其中渺小的一星，其實，地球誕生至今也只有46億年，銀河系誕生已經有136億年了。

既然地球能孕育生命，在茫茫宇宙中也會存在外星文明。儘管人類一直沒有探索到外星文明的蛛絲馬跡，但並不意味著外星文明不存在，畢竟人類目前掌握的技術仍然相對落後。人類可觀測到的宇宙範圍只有930億光年，但對於930億光年外的宇宙，人類一無所知，因此，宇宙中存在外星文明的概率仍然很大。為了探索外星文明，世界各國都爭相對外太空展開了探測，並發射了先進的探測器。

中國天眼作為500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），是一個非常靈敏的射電望遠鏡，能夠探索到137億光年內的宇宙信號，這個距離已經接近目前人類可探索的宇宙邊緣。

FAST在建造時採取的是索網結構，它是世界上跨度最大、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，其技術難度可想而知，需要攻克的技術難題貫穿整個索網的設計、製造及安裝全過程。

比如高應力幅鋼索研製，FAST工程對拉索疲勞性能的要求相當於規範規定值的2倍，國內外都沒有可借鑑的經驗或資料作為參考。它的研製工作經歷了反覆的失敗、認識、修改、完善的過程，最終歷時一年半時間才完成技術攻關。所取得的成果已在國際專家評審會上得到國外專家組的認可，成功在FAST工程上得到應用。

索網很多技術難題也在不斷被攻克，並且形成了12項自主創新性的專利成果，其中發明專利7項，這些成果對我國鋼結構工程水平起到了巨大的提升作用。

中國天眼的系統結構構成

一、臺址勘察與開挖系統：擬對選定區域的地形、工程地質和水文地質環境等進行工程詳細勘察、對FAST望遠鏡主動反射面整體工程區域土石方進行開挖、以及對窪地排水通道進行設計等。

二、主動反射面系統：包括一個口徑500米由近萬根鋼索組成的反射面索網主體、反射面單元、促動器裝置、地錨、圈梁等。反射面索網安裝在格構式環形圈梁上，它有2400個連接節點，在索網上安裝4600個反射面單元，2400個節點下方連接下拉索和促動器裝置，促動器再與地錨連接，形成了完整的主動反射面系統，能夠實現實時控制下形成瞬時300米口徑拋物面的功能。

三、饋源支撐系統：在窪地周邊山峰上建造6個百餘米的支撐塔，安裝公裡尺度的鋼索柔性支撐體系及其導索、卷索機構，以實現饋源艙的一級空間位置調整；製造直徑10米左右的饋源艙，在饋源艙內安裝Stewart平臺(精調並聯機器人)用於二級調整；製造兩級調整機構之間的轉向機構，輔助調整饋源艙的姿態角。

四、測量與控制系統：建設10餘個毫米級精度基準站組成的測量基準網。通過9個近景測量基站，對反射面位形實時掃描；利用雷射跟蹤儀及雷射跟蹤系統實現對饋源艙實時反饋的控制；建設現場總線系統，實現反射面的主動變形；建設實時檢測和健康監測系統。

五、饋源與接收機系統：研製高性能的多波束饋源接收機，頻率覆70MHz-3GHz。研製饋源、低噪聲製冷放大器、寬頻帶數字中頻傳輸設備、高穩定度的時鐘和高精度的頻率標準設備等。配置多用途數字天文終端設備。

六、觀測基地建設：主要負責觀測基地及輔助設施的建設(包括道路施工等)，以確保高質量的支持望遠鏡的運行、觀測和維護，並滿足FAST工作人員的工作與生活需要。根據功能需要，觀測基地的建築計劃包括綜合樓、維修廠房和分散在基地及反射面周圍的零星建築等。

中國天眼的價值及重要意義

中國天眼是具有中國獨立自主智慧財產權的FAST，是世界上已經建造完成的口徑最大、最具威力的單天線射電望遠鏡，它的設計綜合體現了中國高技術創新能力。中國天眼將在基礎研究眾多領域，比如宇宙大尺度物理學、物質深層次結構和規律等方向提供發現和突破的機遇，也將在日地環境研究、國防建設和國家安全等方面發揮不可替代的作用。

中國天眼的建設將推動眾多高科技領域的發展，提高原始創新能力、集成創新能力和引進消化吸收再創新能力。

FAST的天線口徑為500米，是國際上最大的單口徑望遠鏡，假如和號稱"地面最大的機器"德國波恩100米望遠鏡相比，中國天眼的靈敏度提高約10倍。假如天體在宇宙空間均勻分布，FAST可觀測目標的數目將增加約30倍。中國天眼假如與美國Arecibo300米望遠鏡相比，FAST靈敏度提高了2.25倍，而且美國Arecibo20°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。

根據專家預測，FAST將在未來20-30年保持世界一流設備的水平，並將吸引國內外一流人才和前沿科研課題，成為國際天文學術交流中心。

中國天眼的使用價值

1、可以把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通訊數據下行速率提高100倍。

2、脈衝星到達時間測量精度由120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈衝星計時陣，為自主導航這一前瞻性研究製作脈衝星鍾。

3、進行高解析度微波巡視，以1HZ的解析度診斷識別微弱的空間訊號，作為被動戰略雷達為國家安全服務。

4、基於FAST的強大功能，如果銀河系(直徑約為15萬光年)內存在外星人，外星人的信息就很可能被發現。國際科研項目「搜尋外星人計劃」(SETI)的首席科學家丹·沃西默最近向中方提出，希望在FAST加裝設備，可合作搜索外星人信號。

最後，中國天眼的舉世矚目的成就永遠不應該忘記關鍵性人物——中國天眼之父南仁東。

在南仁東剛讀完博士時，就已經是天文學界中的翹楚人物。當時幾乎全世界的天文臺都想把南仁東教授聘請來重金留下，甚至通過斥巨額工資來挽留南仁東。可就是在這個「人生得意須盡歡」的時候，南仁東毅然決定回到祖國的懷抱，加入到了北京天文臺工作。而回國後的工資待遇，在國外一天的工資，可抵得上他在國內拼命一年。南仁東老先生曾經說: 地球上的事已經難以滿足我，我只是很單純的，想要看得更加寬廣、更加深遠。