世界最大的單口徑射電望遠鏡FAST向全球開放 專訪
北京時間 3 月 31 日零點，中國 “天眼” 正式面向全世界開放，接受全球科學家的觀測申請。
中國 “天眼” 又稱 FAST，是一臺 500 米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope），坐落於貴州省黔南喀斯特巨型窪坑中，是目前全球最大單口徑、靈敏度最高、綜合性能最強的射電望遠鏡，沒有之一。
圖 | FAST 官網開啓觀測申請（來源：FAST 官網）
望遠鏡是人類探索宇宙必不可少的工具，相比觀測可見光頻段的光學望遠鏡，射電望遠鏡可觀測到宇宙中各種天體發出的射電波，它的出現拓展了人類對宇宙的認知，對於類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機分子、以及脈衝星的發現，射電望遠鏡功不可沒。
此前，美國的阿雷西博（Arecibo）望遠鏡曾是世界最大的射電望遠鏡，它位於波多黎各島，口徑爲 305 米。然而，伴隨着 2020 年的兩次意外事故，最終其於當年 12 月初坍塌報廢。
阿雷西博射電望遠鏡屬於 “固定機位”，主體無法轉動，只能通過改變饋源位置來掃描某個特定區域，而且其反射面是一個球面，反射的無線電波信號是平行的，因此得用超大饋源裝置才能將這些信號全部接收。爲提高接收效率，後來阿雷西博改進成了改正鏡的方式。
圖 | 阿雷西博射電望遠鏡（上）與 FAST（下）的盤面對比（來源：維基百科）
相比來看，FAST 不但更大而且更加 “靈活”，它可利用自身衆多的反射面形成瞬時拋物面，進而通過小型饋源裝置獲取來自天空不同區域的信號，從而更利於追蹤移動天體。
據悉，FAST 的綜合性能是阿雷西博射電望遠鏡的 10 倍以上，可接收到 137 億光年以外的電磁信號，最遠觀測範圍可達宇宙邊緣，並且FAST 在未來 10-20 年都將處於國際領先地位。
圖 | FAST 鳥瞰圖（來源：受訪者）
三大自主技術創新，FAST 問鼎世界射電望遠鏡之最
FAST 由主動反射面系統、饋源支撐系統、接收機與終端、測量與控制系統以及觀測基地等部分構成，反射面總面積達 25 萬平方米，相當於 30 個標準足球場大小。
FAST 之所以能穩坐全球射電望遠鏡 “頭把交椅”，主要歸功於其搭載的具有自主知識產權的核心技術。對此，國家天文臺青年研究員、現任 FAST 運行和發展中心機械組組長姚蕊告訴 DeepTech，中國 FAST 擁有三大技術自主創新：
第一，貴州省黔南州的喀斯特巨型窪坑地形具有天然球形特徵，利用窪坑作爲臺址減少了大量的建設工程，而良好的電磁環境更是射電望遠鏡的 “好家園”。
第二，自主研發主動變形反射面技術，將球面變成拋物面進行信號匯聚。
第三，自主研發輕型索拖動饋源平臺和並聯機器人，實現接收機的高精度指向跟蹤。
圖 | 國家天文臺青年研究員、現任 FAST 運行和發展中心機械組組長姚蕊（來源：受訪者）
FAST 建設之初對標的正是美國阿雷西博射電望遠鏡，阿雷西博採用固定球面設計。如果按照阿雷西博的設計思路，那麼 FAST 整個框架和饋源艙的質量將超過萬噸，顯然這將無法實現。
“FAST 建設團隊將目光投向了索網結構，創新性地將球面實時變成拋物面，把電磁波匯聚到一個焦點。團隊經過研究測算髮現，如果選擇合適的焦比，就可以在 300 米口徑範圍內讓球面變成拋物面，而索網形變最大偏移距離不足 1 米。” 姚蕊說道。
圖 | FAST 主動變形反射面系統示意圖（來源：受訪者）
如上圖所示，FAST 的主動變形反射面系統由圈樑、索網、反射面單元和促動器裝置構成。
FAST 使用上萬根鋼索編織成索網懸掛於圈樑，類似於把一個巨大的網兜掛在直徑 500 米的圈樑上，索網上安置有 4450 個反射面單元，索網的 2000 多個結點下面連接下拉索和促動器，促動器向下拉索網，整個反射面單元會隨之一起發生形變，在觀測方向形成一個拋物面，最終將電磁波匯聚到焦點。
圖 | 主動變形反射面技術示意動圖（來源：受訪者）
得益於上述創新設計，FAST 能在任意 300 米範圍內形成一個高精度拋物面來匯聚射電波。概括來說，其開創了巨型射電望遠鏡的建造新模式，突破了傳統全可動射電望遠鏡口徑百米工程的極限。
同時，FAST 超大的工程規模、嚴苛的精度要求、以及獨特的運行方式也給研究團隊帶來了前所未有的挑戰。
圖 | FAST 形成 300 米口徑拋物面示意圖（來源：維基百科）
首當其衝的便是鋼索材料問題，“FAST 索網的抗疲勞性能要超過 200 萬次，還得承受大尺度彈性形變以及 500MPa 應力幅，這個要求甚至超過了國內 / 國際相關標準的 2.5 倍以上。當時國內沒有這種鋼索，於是 FAST 聯合科研單位和相關企業共同攻關，最終研發成功。後來，這種鋼索還被用於珠港澳大橋建設中。” 姚蕊說道。
兩級並聯機構協調工作，實現饋源毫米級精度控制
在 FAST 接收面由球面變成拋物面之後，信號匯聚難題迎刃而解，接下來便是如何精準移動饋源艙進行信號收集。據悉，只有將饋源精確地定位在拋物面焦點，才能最高效率地捕獲信號。
“FAST 採用輕型饋源支撐系統，使用 6 根長達 600 米的鋼絲繩形成跨度達 600 米的索並聯機器人牽引中間 30 噸的饋源艙，在 140 米的高空、207 米範圍內的球冠面上實時運動並接收無線電波，饋源艙裡裝有剛性並聯機器人，索並聯機器人和剛性並聯機器人協同進行饋源定位，能夠實現饋源 10 毫米的動態精度控制。” 姚蕊表示。
圖 | FAST 饋源支撐系統（來源：受訪者）
據瞭解，FAST 饋源支撐系統所用的這種大跨度下並聯機器人的研究在當時還是一片空白，包括研究方法、設計方法以及控制技術等都需進行攻關。
對此，姚蕊說：“FAST 聯合很多高校團隊進行研發，做了很多理論研究，最終經過一系列大量模型試驗才完成了技術攻關。索並聯機器人在 FAST 研發和成功應用中得到了更廣泛關注，目前已大量地應用於航空航天、船舶、倉儲等衆多領域。”
至此，信號的匯聚、收集工作已經大功告成，最後就是信號的傳輸問題。
FAST 使用的通信光纜需要同時滿足 80 多個通道以進行信號傳輸，同時光纜還需要隨着鋼絲繩進行長度變化，這就要求光纜的數據帶寬足夠大，還要足夠輕，這對光纜彎折次數和疲勞特性等也提出了嚴苛要求。
談及該難題的攻克，姚蕊告訴 DeepTech：“FAST 採用的動光纜技術，也是 FAST 聯合國內企業聯合技術攻關，最終成功開發出兼具質量輕、帶寬大、耐用的 48 芯動態光纜。”
圖 | 多種測量手段優勢互補實現饋源精準定位（來源：受訪者）
另據悉，FAST 還採用全天候多手段測量技術，包括 GPS、全站儀和慣導技術等，通過不同測量手段的優勢互補、先進自主技術的加持、以及實時保證饋源的精準定位，FAST 最終實現了毫米級別的動態精度控制。
而且，FAST 不受天氣因素影響，可實現全天候的天文觀測，除了日常維護和測試需求外，每天均有 22-23 小時可實現觀測，這也促成了更多科學成果的產出。
藉助 FAST，中國天文界收穫很多突破性成果
導航給人們的生活帶來諸多便利，那在太空中如何實現導航？有一種方法是藉助脈衝星，航天器飛出地球大氣層後，可通過脈衝星進行定位和導航。
脈衝星是一種自旋非常快的超高密度天體，其輻射來自於自身強大磁場的極冠區，當脈衝星輻射信號在極冠轉到地球視線方向的時候，射電望遠鏡可以捕捉到脈衝信號。“脈衝星就好比是一個時鐘，若能發現信號比較穩定的脈衝星，就等於爲宇宙探測提供了一個很好的基準。” 姚蕊指出。
圖 | 脈衝星的射電信號輻射（來源：受訪者）
正因此，脈衝星是射電望遠鏡重要的科學目標之一，在基礎科學研究領域起着至關重要的作用，對航天事業也具有重大意義。自 1967 年發現第一顆脈衝星至今，人類一共發現了 2700 多個脈衝星。
而 FAST 從 2016 年 9 月落成啓用，到 2020 年 1 月通過國家驗收，含設備調試時間在內的四年間便發現了 300 餘顆脈衝星，爲中國乃至全球天文科技發展貢獻了重要力量。
“FAST 最重要的應用之一就是發現脈衝星，當然還包括毫秒脈衝星。當發現了足夠多的優質脈衝星，就可以做成一個計時陣，爲今後測引力波、星際導航等提供幫助。” 姚蕊說道。
毫秒脈衝星，顧名思義它在幾毫秒便可自轉一週，而地球需要 24 小時才能自轉一週。憑藉超高靈敏度，FAST 可觀測到毫秒脈衝星，這極大提升了人類對脈衝星的觀測能力，更讓傳統射電望遠鏡難以企及。
當然，觀測脈衝星並不是 FAST 的唯一用途。去年 11 月，Nature 一連刊登三篇快速射電暴的相關論文，其中一篇正是中國團隊藉助 FAST 完成的，該研究首次爲快速射電暴與磁星之間的關係提供了線索。
圖 | Nature 刊登的中國快速射電暴相關論文（來源：Nature）
藉助 FAST，研究人員可以探測暗物質、測算黑洞質量、探尋外星文明，還可觀測早期星系的活動跡象，探索宇宙的起源和奧秘，甚至還能發現未來可以適合人類居住的星球等等。
此外，FAST 在射電瞬變源方面也有很大潛力，有望在短時間內實現納赫茲的引力波探測、捕捉到宇宙大爆炸時期的原初引力波，爲研究宇宙大爆炸原初時刻的物理過程提供數據支撐。
不得不說，一系列 “技能” 加持，讓 FAST 在全球射電望遠鏡行列一騎絕塵。那麼，既然VLBI（Very Long Baseline Interferometry，甚長基線干涉測量技術）實現了地球直徑級別口徑，建設 FAST 的意義何在？
憑藉靈敏度優勢，FAST 有望主導國際 VLBI 合作
前面一直在提及的是 FAST 靈敏度很高，但靈敏度並不是衡量射電望遠鏡的唯一標準。
“靈敏度和分辨率是衡量射電望遠鏡最重要的兩個指標。靈敏度高可以理解爲望遠鏡‘看得更遠’，分辨率高可以理解爲望遠鏡‘看得清晰’。” 姚蕊指出。射電望遠鏡口徑越大，靈敏度也就越高，能夠接收到的射電波也就越多。
雖然單個射電望遠鏡的分辨率不高，但可以 “聯機” 運行，也就是使用兩臺位於不同地點的望遠鏡接收來自同一天體的電波信號，然後將兩束電波進行干涉，其等效分辨率相當於一臺口徑爲兩地距離的單口徑射電望遠鏡，這便是前面的甚長基線干涉測量技術。
目前，科學家已利用該技術實現了 “等效口徑相當於地球直徑量級” 的射電望遠鏡。
圖 | VLBI 示意圖（來源：網絡）
可能有人問，既然已經擁有口徑相當於 “地球直徑級別” 的射電望遠鏡，那麼建造口徑僅爲 500 米的 FAST 用途何在？
對此，姚蕊指出，“VLBI 技術的目的是爲了把望遠鏡分辨率做得很高，但若是想要提高靈敏度只能增加望遠鏡的口徑。FAST 的優勢在於靈敏度高，可以探測到更弱的射電信號源。目前，提高射電望遠鏡靈敏度的唯一方法就是增加收集信號接收面的面積，即增加口徑。”
換言之，VLBI 技術能做的只是提高射電望遠鏡的分辨率，但如果兩臺望遠鏡的靈敏度都不高，根本探測不到微弱信號，因此等效口徑再大也沒有實質意義。
值得一提的是，得益於超高靈敏度優勢和地域優勢，FAST 將有望成爲 VLBI 的 “網主”，在國際 VLBI 合作領域發揮主導作用。
科技無國界，FAST 向世界開放盡顯大國風範
天文學是一門重度依賴觀測設備的學科。長期以來，由於沒有大型射電望遠鏡，中國天文學家很難拿到一手資料。如今隨着 FAST 的誕生，這一格局被徹底扭轉，中國的科學家們有了更多的主導權。
FAST 最早是中國天文學家南仁東教授於 1994 年提出的構想，由中國科學院國家天文臺主導進行設計建造，歷時 22 年建成。從預製到完成，這二十餘年凝聚了衆多科學家的心血與付出。
談到南仁東教授，姚蕊告訴 DeepTech，“南老師除了在技術層面起到的領導作用，他更是我們的精神領袖。FAST 從提出到建設再到落成，期間有着太多的艱難險阻，南老師就像是一座燈塔，照亮大家前行的路，他勇於探索、永不言棄的科學精神始終激勵着大家沿着這條路堅定不移地走下去。”
對於建設 FAST 的意義，姚蕊表示，“FAST 將對國內天文、物理等衆多領域的發展起到巨大的促進和推動作用。中國科學家可使用 FAST 觀測的時間更長，因此可以做更多、更廣泛的科研探索，可以開放更多科學目標觀測，還有可能開闢全新的科學目標和領域。在建設期，FAST 帶動了相關領域的協同發展，如今進入運行期，伴隨 FAST 後續升級，還將進一步促進相關技術和理論研究發展進步。”
圖 | FAST 全景（來源：FAST 工程）
自從去年阿雷西博射電望遠鏡坍塌之後，全球天文學家的注意力都聚焦在 FAST 上，去年中國科學院院士、FAST 科學委員會主任武向平也公開表示：“FAST 將在 2021 年面向全球開放，全世界的科學家都可以使用這臺世界上最大的射電望遠鏡，一起爲探索宇宙的奧秘、推動人類文明的進步作貢獻，構建人類命運共同體。”
對於中國作出的這一承諾，外媒報道稱：“中國 FAST 面向全球開放可以說是拯救了全世界的天文學家！”
對此，姚蕊認爲：“作爲國之重器，FAST 一方面爲我們國家的天文事業作貢獻，另一方面，我們也希望向全世界展示我們國內從天文學到技術的能力，讓更多的科學家利用 FAST 得到更多更好的科研產出。探索宇宙是全人類共同的目標，FAST 的開放必將促成更多國內外技術合作，進一步提升全人類對於宇宙探索的能力。”