中国天眼6年了！独一无二的望远镜都有哪些成就？

2016年9月25日，通称ldquo五百米口径球面射电望远镜(FAST)现状:500米口径球面射电望远镜投入运行。

截至今年7月，ldquo五百米口径球面射电望远镜(FAST)现状:已经发现了660多颗新的脉冲星。

今天，是ldquo五百米口径球面射电望远镜(FAST)现状:在建成六周年之际，让我们跟随FAST总工程师姜鹏，了解一下FAST的建造初衷，FAST迄今为止取得了哪些科研成果，FAST接下来可能会给我们带来什么。

什么是快速观察？

FAST是一台射电望远镜，将在无线电波段观测太空。

无线电波段的发现源于一个非常偶然的事件。对于射电天文学的研究，我们有四个非常重要的新发现，即脉冲星、星际分子、微波背景辐射和类星体。

其中对脉冲星的观测获得了两次诺贝尔奖，包括中子星和引力波的发现。

Ldquo，FAST的诞生；Rdquo这是什么？

要获得越来越详细的天文数据，就需要一台接受面积更大的望远镜，光学望远镜如此，射电望远镜也是如此。

更大的接收面积意味着会有更强的探测暗弱信号的能力，可以扩大观测样本的数量，增加发现奇异天象的概率，同时看到更远的天象。

一般来说，越遥远的天象代表越早的天象。比如我们八分钟前看到太阳的时候，看到银河系边缘可能是十几二十万年前，看到邻近星系M31的时候是几万年前，所以我们看到的类星体可能是100多亿年前。

那么如果我们想看到一个更早的宇宙现象呢？这只能从更远的方向来看。

因此，更大的望远镜对我们追溯宇宙历史非常有帮助，建造更大的望远镜是科学家们永无止境的追求。过去是，现在是，将来也是。

建造FAST的驱动力是能够看得更远，回到更遥远的宇宙历史。

FAST有什么特点？

作为球面望远镜，FAST不同于传统望远镜。

传统望远镜使用抛物面，接收器可以放在抛物面的焦点上采集信号。

那么球面和抛物面有什么区别呢？他们会有多远？这是很多人想都没想过的问题。

20世纪90年代，中国天文学家南和他的同事计算出，只要选择合适的交叉比，300米抛物面与球面的偏差只有0.47米，约为1.5毫帕。左右，这是很多人始料不及的。

正是这0.47米的偏差，成为了FAST的基石。

有了这个概念，你可以先搭建一个参考球面，稍微改变一下反射面的形状，在这个球面上形成一个300米的抛物面。

当我们在观测不同的天空区域时，只需要在不同的位置形成抛物面，剩下的问题就是如何以正确的姿态将接收器放在相交位置。

虽然概念简单，但是花了大概十年的时间才完善。这个抛物面是怎么变形的？变形用什么载体？接收器以什么方式控制到路口？这是我们一直在探索的。

FAST的最终系统是这样的:

近万根钢索组成的索网挂在直径500米的环梁上。这个索网有2000多个主索点，每个主索节点都配有控制索，控制索固定在地面的执行机构上。

科学家可以通过控制致动器来改变这种反射面的形状，用6个套索驱动在其局部形成300米的抛物面，控制一个30吨重的馈源舱，在舱内安装一个接收器来控制它到相交位置。

同时设置20台全站仪测量反射面的形状和接收面的位置和姿态，保证了接收面的姿态控制。

最后形成了FAST，一个极其复杂的望远镜系统。

多大才算快？

我们都知道FAST的直径是500m，那么到底有多大呢？对于那些没有亲眼见过FAST的人，我们如何量化ldquo500m口径rdquo这个概念呢？

一个同事提出了这样的说法:我们把FAST想成一个锅。这个壶里装满了水。世界上有70亿人，每个人可以从这个壶里得到4瓶矿泉水。

FAST的建设有哪些难点？

量变积累到一定程度，就会导致质变，带来很大的工程难度。FAST的有线网络建设是一个难点。

用来支撑球面的索网是变形的载体，就像气球一样，需要ldquoRdquo把它当橡皮筋或者弹簧用。

对于橡皮筋，可以翻倍，甚至翻倍，但钢丝绳的极限变形只有3permil-4许可证；这个量很小。

FAST的抛物面一部分在球面之下，一部分在球面之上，这就意味着连接抛物面的索网还得往下拉，往上松。

但钢丝绳的弹性变形只有3百分之一；-4许可证；往下拉的时候不能断，往上松的时候不能假拉。我们需要在4permil变形范围内，ldquo向下拖动rdquo和ldquo松散的rdquo这两个功能都实现了，而且刚刚好。两边都没什么空间了。

不仅如此，钢索的加工精度也很重要。假设每个指标都是一毫米长，最后电缆也松不了。

另外，温度的变化也会吃掉一部分弹性变形，所以整个索结构的加工精度要求极高，留下的余地很小。整个设计就像走在独木桥上，稍微偏离一点这个项目就会失败。

再说，为了保证不受其他无线电信号的干扰，FAST地处贵州偏远山区，很多大型设备无法进入现场，所以大量的施工工作都是靠人手工完成，有170多米高的铁塔，38米深的人工挖孔桩，近万根钢索散落在空中。

这是一项大型工程，只有凝聚我国劳动人民的智慧和巧妙的施工方法才能完成。

快速调试有哪些难点？

FAST的这个系统不同于传统的望远镜。传统望远镜的抛物面在交点处与接收器自然匹配，任何方向都自然匹配。

但对于FAST来说，它的反射面是一个500米跨度的索网，一个由近万根钢索编织而成的复杂索网系统，上面是600米跨度的索驱动结构，外面是30多吨的馈源舱。

这两个系统是完全独立的，两个系统都是柔性控制系统，需要达到千米量级的毫米级定位精度。

这是我们传统的工业体育场从来没有遇到过的。对于传统的工程精度来说，500米到1米的差别不会有任何视觉上的影响，也不会对安全有任何影响。但对于FAST来说，几毫米的误差就会降低天线效率。

另外，FAST在贵州野外多雨多雾的环境下工作，所有的测量控制都必须具备全天候实现的能力，这意味着大量的光学测量实验无法全天候使用，一切都要重新考虑。

为了保证FAST的全天候运行能力，我们最终采用了卫星定位测量系统、惯性导航系统和激光全站仪的融合测量技术。

虽然激光全站仪在雨雾天几乎无法工作，但卫星导航和惯性导航仍能保证FAST的全天候作业能力。

一方面，该系统结合了不同的测量方法，实现优势互补；另一方面也提高了精度，更重要的是提高了FAST的耐候性。

后续我们还用微波测距仪代替了激光全站仪。另外，我们经常把GPSldquo反向rdquo参考站作为天上的卫星，反过来照亮馈源舱，达到全天候、高精度的目的。

FAST有哪些成就？

从1937年到现在，射电望远镜发展了近90年，我们的ldquo五百米口径球面射电望远镜(FAST)现状:在太空望远镜的发展史上，我们写下了沉重的一笔。第一次登上制高点，领先不是一点点，精度上至少领先2.5到3倍。

FAST的灵敏度，全天候的运行能力，每年6000小时以上的观测时长，都是我们一开始无法想象的。

FAST不仅是一台性能优异的射电望远镜，还是一台非常有用的射电望远镜。

截至今天，科学家通过FAST发现的脉冲星数量已经超过660颗，是同期全球所有射电望远镜发现的脉冲星总数的5倍多。

同时，在FAST运行的两年时间里，也帮助科学家取得了一些重要的科学成果，包括发表在《自然》杂志上的5篇论文和发表在《科学》杂志上的1篇论文，其中部分论文入选《自然》杂志2021年十大突破和发现。

此外，2021年中国科学院院士评选的十大科学进展也包括FAST的成果。

在这些科学成就中，更有趣的是快速射电爆发，这是2007年才发现的一种新的天文现象。

快速射电爆发是一种在千分之几秒内发出几天甚至一整年的太阳能量的现象。

FAST不仅可以用于科学研究，还可以用于实际应用。

比如FAST与主动雷达结合，将有可能在千公里轨道上看到毫米级，也就是在地球同步轨道上观测50毫米以内的物体。

要知道现在的航天发射任务都依赖于碎片的通量模型，要避开碎片，找到合理的发射窗口。

但是之前的通量模型都是国外的模型，而有了FAST，我们完全可以建立一个独立可控的通量模型。

此外，FAST还可以帮助我们对近地天体进行预警。

比如2019年，一颗小行星经过我们的距离是地月距离的六分之一。人类之所以没有探测到，是因为它来自太阳的方向。强烈的阳光使我们无法用光学望远镜清楚地观察这颗小行星。

但如果在无线电波段观测，可能会更早被探测到，因此未来将是近地天体防御的重要战略支撑。

未来FAST会带给我们无数的想象，比如给FAST加个发射架，做更多好玩的事情。让我们一起期待ldquo五百米口径球面射电望远镜(FAST)现状:带给我们更多新奇的东西。

最后，我们来谈谈ldquo五百米口径球面射电望远镜(FAST)现状:向建设者致敬！

相关信息几毫秒的能量相当于几百亿年的发电量。五百米口径球面射电望远镜(FAST)首次发现快速射电爆发猝灭现象。中国载人航天工程总设计师:中国巡天望远镜精度堪比哈勃“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”总工程师:FAST的巡天效率将提高一个数量级。力争五年内突破中子星:宇宙中的“精灵”超级小但能力超强。观点支持。

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