FAST 望远镜建在贵州不怕多云多雨吗？ - 知乎140被浏览<strong class="NumberBoard-itemValue" title="3分享邀请回答27662 条评论分享收藏感谢收起中国科学技术大学新闻网
世界最大单口径巨型射电望远镜在贵州落成启用：观星河耿耿，听宇宙风声
25日，世界上最大的单口径巨型射电望远镜——500米口径球面射电望远镜（FAST）在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县宣布落成启用。
这个中国最大的天文工程，将倾听来自遥远宇宙最轻柔的“呢喃”：能够接收到137亿光年以外的电磁信号，获取并分析各种宇宙信息，挖掘隐藏在星空深处的无穷奥秘。
既是世界上最大的单口径巨型射电望远镜，也拥有国际一流的灵敏度和综合性能
FAST给人的第一感觉就是大：直径500米，高差173米，从空中俯瞰，它就像一口由群山环抱的“超级大锅”。
“锅面”——巨大的球冠形反射面；“锅”正中央悬空的“盒子”——馈源舱；支撑“锅”的无数道线——索网等支撑结构。一点一面多线，看似纤细简单，却牢牢撑起了这个庞然大物，并保障了其高超的灵敏度和综合性能。
洼坑内铺设的500米球冠状主动反射面是FAST望远镜的关键组成部分，共有4450块反射面板单元，有近30个足球场大。每块反射面单元边长为10.4米至12.4米，重427.0千克至482.5千克，厚度约1.3毫米。“由索网结构支撑的反射面通过反射聚焦，将射电信号聚拢到一点上。铺设一块块反射面单元就花了11个月。”FAST工程总工艺师王启明说。
索网结构会随着天体的移动自动变化，带动钢索网上活动的4450个反射面板产生变化。“球冠反射面在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面，将望远镜接收机移动到抛物面的焦点上，可以观测到40°天顶角内任意方向的天体。”
射电信号聚焦的一点就是“锅底”正上方悬挂的馈源舱，馈源舱下平台安装着FAST用来接收宇宙外来信号的馈源接收机，通过它把数据传输出去。“与国外的射电望远镜不同，FAST的馈源舱可以移动。”FAST工程馈源支撑系统副总工李辉说，“我们的创新之处还在于，将一直以来万吨级的馈源平台重量降至30吨。”
“没有精密测控，FAST会变成瘫痪的植物人。”FAST工程测量与控制系统总工朱丽春说，以馈源舱的测控精度为例，进行观测时，仅仅一个移动舱体的简单过程，都要经过三级精密测控。“大锅”里还伫立着24个放置激光全站仪的基墩，这是进行位置基准的重要设备，工程师们用梅花桩将其打到了地面的基岩，经过3年测试，达到了1毫米的稳定性。
与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，FAST望远镜灵敏度提高约10倍；与美国“阿雷西博”305米望远镜相比，其综合性能提高约10倍，并将在未来10年到20年保持国际一流设备的地位。
选址始于1994年，从前期选址到设计研发、后期维护都由中国科学家完成
“从选址开始，FAST的建造就充满艰辛不易。”台址与观测基地系统总工程师朱博勤说。作为我国自主知识产权的大科学装置，FAST由中国科学家创新设计、研发制造、组织施工。
FAST选址工程始自1994年。“这是件异常复杂的事情，既要考虑电磁波环境、地质条件，还要考虑造价问题。”朱博勤回忆，“在排除了火山口、矿坑和陨石坑等低洼地形后，锁定了喀斯特地貌。”科学家们总共考察了400多个洼地，经过反复比较论证，最终选定贵州省平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地。“我们确认，这里是建造FAST最完美的地点。”
此后，FAST的创意经过10多年反复锤炼，其间对主动反射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精度的测量与控制、接收机等多项关键技术开展了长达14年的合作研究，凝聚了来自多家科研单位的众多中国科学家的创新研究。
为了做好FAST的后期维护，FAST的细节处处透露着科学家的用心。凑近大锅“锅面”观察，三角形的反射面板是白色半透明的，布满了小孔。侧耳倾听，还有微风穿过面板产生的轻微哨声。“每块面板的50%面积都是镂空的。”王启明说，考虑到贵州多雨的气候，这种设计能够让雨点穿过面板，落入地面，不会影响反射面。“漂浮物和小颗粒可以通过面板直接过滤，大的物体也能被定期直接清理。这种透风的设计，还能够减少大气流动对电波接收的干扰，透光的性能也不妨碍‘锅底’植被的生长，可谓一举多得。”王启明说，这种工艺并不会影响观测效果。
FAST的灵敏度非常高，极易受到电磁干扰。“除了对望远镜进行电磁屏蔽专项设计，还要保护台址周边宁静的电波环境。”FAST工程副总经理、办公室主任张蜀新说，为保护FAST免受电磁干扰，2010年12月电磁兼容工作组成立，负责电磁环境的保护和无线电干扰的协调。贵州省也制定了《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》，已于2013年起实施。“未来人们想要进入FAST区域，是绝对不允许携带手机和照相机等电子设备的。”
能观测到更多天体，有助于研究宇宙起源、寻找地外文明
“建设射电望远镜，越大越好。”王启明说。FAST望远镜的灵敏度，也就是观测暗弱天体的能力，和其口径的二次方成正比。其可观测宇宙空间的体积，即大约可观测的天体数目，和其口径的三次方成正比。“FAST投入使用后，可观测的天体数目将大幅度增加，可为科学家提供更多更好的观测统计样本。”
身形庞大的FAST背负重大科学任务。据FAST工程副总工艺师孙才红介绍，FAST将观测宇宙中的中性氢，“这有助于研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化。”脉冲星观测也是FAST的重点，“脉冲星是恒星演化的最后阶段，通过对它的观测可以研究极端状态下的物质结构与物理规律”。此外，还要研究主导国际低频甚长基线干涉测量网，获得天体超精细结构。“FAST也担负着寻找地外文明的任务，探测星际分子，搜索可能的星际通讯信号，包括大家最感兴趣的外星人。”孙才红说。
未来3至5年，FAST的重点工作是调试和试观测工作。“并不是说今天建成了，明天就能立刻‘下锅炒菜’。”朱博勤说，对于系统高度复杂的FAST来说，建成并不代表了它的性能已经达到了最优。
“反射面由球状变为抛物面的变形过程，以及馈源舱的移动精度，都还需要进一步调试。”据他介绍，科学家们还将利用FAST对已被发现的脉冲星进行观测，以此验证望远镜的各项指标，为发现新的脉冲星做准备。“科学家总是希望能够获得高质量的观测数据，所以未来将通过调试和试观测，以达到望远镜的最佳性能。我们当然也期待过程中会有一些令人惊喜的发现。”（本报记者& 刘诗瑶）
来源：《 人民日报 》（ 日 14 版）
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FAST主体工程完工
7月3日，FAST最后一块反射面单元将完成吊装。这个从概念到选址再到建设，耗时22年，被国外媒体称为改变中国科技创新的“天眼“——世界最大单口径球面望远镜（英文简称FAST）主体工程终于完工。　　由中科院国家天文台主持建设，FAST位于中国西南部贵州省，建成后规模将超过所有其他同类的射电望远镜。从外形上看，FAST像是一口“锅”，口径达到500米，由4450块三角形面板拼装组成，是史上最大的射电望远镜。　　不同于其他望远镜，比如哈勃太空望远镜，用光来“远望”可见宇宙，射电望远镜更像是个“耳朵”，“收听”太空深处物体发出的无线电波。和光一样，无线电波也是一种电磁辐射，但是波长非常长，从大约一毫米到一百多公里。这些宇宙信号在太空中穿行遥远的距离，因此也非常、非常弱。对于射电望远镜来说口径越大，可接收的信号就越多。7月3日，工作人员在吊装FAST最后一块反射面板。今天（7月3日）位于贵州黔南州平塘县大窝凼的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜（FAST）的最后一块反射面单元成功吊装，这标志着FAST主体工程顺利完工。这只“观天巨眼”预计于今年9月全部竣工，开始探索宇宙深处的奥秘。上午，在FAST工程大窝凼台址现场看到，随着FAST工程总经理、中科院国家天文台台长严俊一声令下，最后一块反射面单元缓缓起吊，在完成了二次空中转接并用缆索吊下滑到指定位置后，被顺利安装在索网上。FAST工程总工艺师王启明介绍，4450块反射面板单元是FAST望远镜的重要组成部分。2015年8月，FAST反射面单元吊装工程开始施工。经过11个月的艰苦奋斗，在克服了大尺度、高精度的拼装施工难点以及跨度大、位置高等吊装施工难题后，近30个足球场面积的反射面由一块块反射面单元逐渐铺设完成。自2011年3月正式开工建设以来，FAST工程已完成了圈梁钢结构安装、索网制造与安装、馈源塔制造与安装、馈源舱安装调试、综合布线工程等建设过程。FAST的口径达到了世界之最——500米。理论上说，FAST能接收到137亿光年以外的电磁信号，这个距离接近于宇宙的边缘。在FAST建成以前，世上已存的最大射电望远镜有两个：一个是号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜，一个是被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米望远镜。　　FAST建成后，其灵敏度将比德国波恩100米望远镜提高约10倍；与美国阿雷西博300米望远镜相比，其综合性能提高约2.25倍。预计在未来20-30年时间里，FAST将一直保持世界一流的地位。　　天文学家赵之珩认为，射电波段的观测，推动了地球人对宇宙的理解，如20世纪60年代四大发现：宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际有机分子。现代天文学上的“两暗一黑”（即暗物质、暗能量、黑洞）还存在着许多的谜团。FAST接收和放大它们发来的微弱信号，有助于揭开这些谜团。　　事实上，脉冲星、类星体、星际有机分子等重要天文发现都与射电望远镜有关。诺贝尔奖历史上明确基于天文观测的10项获奖成果中，有6项出自射电望远镜。或许不久的将来，FAST能为我们带来一个诺贝尔奖项。　　除了“收听”无线电波外，FAST还可以搜索氢的遥远信号，而氢是宇宙起源的“积木”之一，可以帮助科学家理解宇宙变迁。此外，FAST也将加入寻找外星生命的行动。　　FAST的另一个优势在于，当它观测天体时，会随着天体的方位变化，在其500米的球冠状主动反射面上实时形成一个300米直径的瞬时抛物面，并通过这个300米的抛物面来汇聚电磁波。　　简单来说，如果把FAST比作一只巨大的眼睛，那么这只巨眼的眼球直径就有500米，而负责接收光线的眼珠直径就有300米。FAST就是靠这个巨大灵活的眼珠来汇聚电磁波、观测深空。　　“中国天文研究一直落后于世界。以前，我们需要到国外去借别人的望远镜来观察。现在是时候自己在中国建一个了。”FAST项目副总经理彭勃此前接受媒体采访时说。　　科学家花费了10年的时间审视中国农村地区的卫星图像，才在贵州找到了能够容纳FAST望远镜的天然深坑。2011年开工建设后，工程建设时期却是创纪录的短，至今只花了五年半时间。　　由于地处经济不发达的贵州，又是在偏远的山区，据射电望远镜工程总设计师、中科院的南仁东教授介绍，FAST项目的所有部件都从千里之外的地方运到贵州。　　因为望远镜周边五公里的村庄被设定为无线电静默区。移动电话，无线网络都被禁止使用，FAST选址附近有近万人搬迁。政府承诺给自愿搬迁的人发放补偿，但也有部分人对于补贴并不满意。　　“条件非常艰苦，我们的工程进展需要克服很多的困难。但望远镜会吸引来大批科学家和游客，也是教育、培养下一代和中国工业的好榜样。”南仁东说。FAST突破了射电望远镜的百米极限，它拥有30个足球场大的接收面积，与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，灵敏度提高约10倍。它将在未来10至20年保持世界一流设备的地位。中科院国家天文台副台长郑晓年表示，FAST建成后将成为中国天文学研究的“利器”。它将可能搜寻到更多的奇异天体，用来观测脉冲星，探索宇宙起源和演化、星系与银河系的演化等等，甚至可以搜索星际通讯信号，开展对地外文明的探索。“FAST主体工程完工后将开始调试，同时开始试观测。”郑晓年说，调试阶段的科学观测目标将更加聚焦，比如我们希望发现银河系以外的脉冲星，目前发现的脉冲星都是银河系内的。“希望中国科学家尽快利用FAST出成果。”“宇宙空间混杂各种辐射，遥远的信号像雷声中的蝉鸣，没有超级灵敏的‘耳朵’，根本就分辨不出来。”中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程首席科学家、总工程师南仁东说。此前，世界上最灵敏的射电望远镜，分别是德国波恩100米望远镜和美国阿雷西博300米望远镜。前者是可以移动“摇头”的，后者则借助波多黎各岛上的喀斯特洼坑建造。1993年国际无线电联大会上，包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”的倡议，渴望在电波环境彻底毁坏前，回溯原初宇宙，解答天文学中的众多难题。“造世界第一大口径射电望远镜，是南仁东老师和几位前辈的梦，体现了中国天文学家的鸿鹄之志。”彭勃说。1995年底，北京天文台联合国内20余所大学和研究所，成立了射电“大望远镜”中国推进委员会，提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。中国科学家们进一步推进喀斯特概念，提出独立研制一台新型的喀斯特单元，即500米口径球面射电望远镜。　为了给新一代射电“大望远镜”安家，科学家们通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个遍。彭勃回忆说，当时天文台委托两家院所进行独立搜寻，从300多个候选洼坑中遴选。结果，位于黔南州平塘县的大窝凼两次都获最高分。贵州天然喀斯特洼坑提供的条件，始终都是中国大射电望远镜最独到、成为世界最大最强的基础。无论是置身大射电望远镜边上，爬上附近山顶的观景台，还是通过虚拟现实视频，你都能直观感受它的第一特点——大。科学家们形容它是一座“观天巨眼”。中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明说，仅圈梁、索网和支撑馈源舱的6座高塔就用掉1万多吨钢材。“望远镜反射面总面积为25万平方米，相当于30个标准足球场那么大。尽管反射面板才1毫米厚，也用掉2000多吨铝合金。”王启明说。6索并联驱动控制系统是世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜（FAST）核心部件馈源舱的主控制系统，该系统可以控制馈源舱进行姿态位置调整从而精确地找到反射面的焦点位置，使馈源舱获取信号能力达到最佳。据FAST项目6索并联驱动控制系统负责人武荣阳博士介绍，形象地说馈源舱是“天眼的眼球”，而该系统就是“眼球内部的睫状体”——能够调节眼球的焦距使眼球能清晰地看清远近物体。但大射电望远镜绝不是金属堆砌的“傻大粗”，它是最精密的天文仪器。由于采用光机电一体化的馈源平台，加之馈源舱内的并联机器人二次调整，它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下，可实现毫米级指向跟踪，确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。大射电望远镜的建造工艺也是精益求精。王启明说，由于严苛要求，这个大科学工程推动了多领域装备制造能力的提升：　　——主动反射面的索网具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征，其500兆帕的超高应力幅，是国家标准的2.5倍；——帮助反射面变位的2000多个液压促动器通过伸缩实现精确定位、协同运动，还可将自身各项状态信息上报给控制系统，满足适时跟踪、换源等运动要求；——承担着传输各种数据信息使命的动光缆可经受反复弯曲、卷绕和扭转等机械性能和恶劣自然环境考验。“我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比，主动反射面系统是我们最大的创新。”彭勃说，大射电望远镜的索网结构可以随着天体的移动变化，带动索网上的4450个反射单元，在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面，极大提升观测效率。阿雷西博望远镜是固定望远镜，只能通过改变天线溃源的位置扫描天空中的一个约20度的带状区域。而主动反射面让中国大射电望远镜拥有更广的观测范围，能覆盖４0度的天顶角。大射电望远镜的工作频率比较广。彭勃说，馈源舱内配置了覆盖频率70ＭＨｚ～3ＧＨｚ的多波段、多波束馈源和接收机系统。中国科学院国家天文台副台长郑晓年说，100米口径的德国波恩望远镜曾号称“地面最大的机器”，中国大射电望远镜与它相比，灵敏度提高约10倍。300米口径的美国阿雷西博望远镜，50多年一直无人超越，中国大射电望远镜跟它相比，综合性能提高约10倍。“跟其他射电望远镜一样，中国大射电望远镜最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星，前者是研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化，后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”郑晓年说。地球大气层留给人类探索宇宙两个窗口，一个是光学，一个是射电。对天文学家来说，如果光学望远镜是显微镜，那么射电望远镜就是ＣＴ机，可以获得天体的超精细结构。 　“有7套接收机，因为不同的波段观测的频率不一样，观测和研究目标就不一样。”彭勃说，在大射电望远镜眼中，宇宙和宇宙天体是一种立体的呈现。半个多世纪以来，全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸，中国大射电望远镜的加盟将大大加快这一速度。而收集的能量，意味着解读宇宙深处奥秘的信息量。“从射电望远镜诞生至今，人类共发现了约2500颗脉冲星，如果中国大射电望远镜的工作时间全部用于观测脉冲星，它一年时间内就有望将这个数量翻倍。”彭勃说，脉冲星可以用于脉冲星导航、脉冲星计时阵等应用目标。南仁东认为，大射电望远镜还有可能会发现一些前所未见的脉冲星现象，比如说一个脉冲星和一个黑洞结对，那么就可能产生突破性的理论。物理学发展中的每一次小小的进步，都伴随着极大的艰难与曲折。但在人类文明进步的每个阶段，物理学始终站在解放生产力的前沿。彭勃说，科学家利用阿雷西博望远镜发现引力波，并获得诺贝尔物理学奖，中国大射电望远镜则为自然科学特别是物理学相关领域提供了重大发现的机会。“针对大众十分关心的大射电望远镜能否用于寻找地外文明，答案是肯定的。”彭勃表示，它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高，它能看到更远、更暗弱的天体，通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号，寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。在7月3日馈源舱升舱和反射面板按计划完成安装后，大射电望远镜将进行2个多月的系统调试，于9月底正式竣工投入使用。但要实现所有功能参数最优化，它还要在两三年的观测中不断调试完善。“大射电望远镜建成后将成为中国天文学研究的‘利器’，在未来10至20年保持世界一流设备的地位。”郑晓年说，“希望中国科学家尽快利用它出成果。”
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FAST射电望远镜今日启用：已接收到1351光年外脉冲星信号
　　文章来源：央视网
　　在我国500米口径球面射电望远镜FAST整体工程完工之际，科研人员在近日通过一次试验性观测，成功接收到来自1351光年外一颗脉冲星发出的脉冲信号，这是FAST进行试验性观测以来，接收到的质量最好的一组电磁波信号。这组信号的获取，有利于科研人员进一步分析FAST望远镜的性能指标及后续的调试。这样的试观测和调试将在未来的一段时间内持续进行，直到望远镜达到最佳的性能指标。
　　从今年9月中旬以来，FAST工程科研人员便开始对射电望远镜进行试验性观测工作。在9月17日的一次观测中，FAST望远镜成功接收到了一组来自遥远宇宙的高质量脉冲星信号。这组信号是FAST投入试观测以来，接收到的性噪比最高的电磁波信号。从获取的频率相位图中，科研人员计算出这颗脉冲星与地球的距离。
　　中科院国家天文台副研究员 钱磊：这次我们观测得到的最好的脉冲星数据是J这颗星的数据。这是一颗位于1351光年以外的一颗脉冲星，意思就是说，我们现在接收到的这些电磁波，大约是1351年以前发出的。
　　据了解，由于这颗脉冲星并没有明显的特征，因此为了方便对其进行科学研究，就以“J”这个名称来称呼，这也是这颗星所处的位置坐标。由于脉冲星在自转时速度会逐渐变慢，其转动快慢之间的能量差就会转化为辐射，从而被FAST望远镜所接收。科研人员对这些FAST获取的原始数据初步分析后，得到两张该脉冲信号的频率相位图。
　　中科院国家天文台副研究员 钱磊：一颗典型的脉冲星的信号，它就是这个样子。比较亮的那些地方，就说明是有信号的地方，越亮它表明信号越强。它有一个效应就是，高频的电磁波先到，低频的电磁波后到，它满足一个二次方的关系，所以它看起来是一条弧线。
　　据专家称，不同频率的电磁波在星际介质中的传播速度和路径是不一样的，因此科研人员利用这个现象就能推断出这颗脉冲星与地球之间的距离。
　　中科院国家天文台副研究员 钱磊：高频的电磁波先到达我们，低频的电磁波它会有一个延迟。然后你可以想象，当你的传播距离大的时候，这个延迟的量就比较大，当你距离比较近的时候，这个延迟就比较小。这个延迟的量就可以用来推断脉冲星到我们（地球）之间的距离。
　　脉冲星是宇宙中具有超强磁场，并极快速旋转的中子星。脉冲星在1967年被女科学家贝尔首次发现。脉冲星的发现，被称为二十世纪六十年代的四大天文学发现之一。脉冲星的直径大多为10千米左右，它们旋转速度极快，有的脉冲星每秒可以自转几百圈。。
　　中科院国家天文台副研究员 钱磊：就可以想象成是海边的一个灯塔。它里面的灯是旋转的，这样你就会时而看到它的光，时而又看不到，实际上脉冲星也称为宇宙中的灯塔。
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