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500米口徑球面無線電望遠鏡

坐落在中国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县的射电望远镜

500米口徑球面無線電望遠鏡（英語：Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST）又被稱為「中國天眼」，是中國科學院國家天文台的一座無線電望遠鏡，FAST主體工程於2011年開工，2016年落成；是目前世界第一大的填充口徑（即全口徑均有反射面的）無線電望遠鏡[4]；若不局限於球面無線電望遠鏡，則是僅次於俄羅斯RATAN-600環狀無線電望遠鏡的世界第二大的單一口徑無線電望遠鏡[5]。

500米口徑球面無線電望遠鏡
從上面拍攝的望遠鏡（2020年）
基本資料
位置 中華人民共和國貴州省平塘縣克度鎮大窩凼窪地
座標25°39′10.5″N 106°51′23.7″E / 25.652917°N 106.856583°E / 25.652917; 106.856583[1]
波長10 cm 至 4.3 m[2]:11[3]
建築2011年3月25日–2016年7月3日
啟用2016年9月25日
望遠鏡型式可變形的固定性
口徑500 m (主體)
300 m (有效)[2]:12
集光面積70000 m2
焦長140 m (f/0.466)[2]:12
圓頂無
fast.bao.ac.cn
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歷史

 
2015年8月FAST正在興建

1994年，國家天文台提出建造FAST項目的設想並開展預研工作。1994年4月，預研究及貴州選址工作啟動[6]。

以哈爾濱工業大學空間結構研究中心沈世釗院士、范峰教授、錢宏亮教授為首的研究團隊，自2003年起全程參與FAST項目結構系統的預研、可行性研究和初步設計。

在2007年7月國家發展及改革委員會批准此一專案[7][8][6]，哈工大作為第一合作單位，負責反射面結構系統的初步設計。

經過考察，望遠鏡的建設定點定在貴州省平塘縣克度鎮大窩凼窪地，利用喀斯特窪地的地勢而建，村民隨即搬遷[9]；為了避開電磁波干擾，居住在望遠鏡半徑5公里內的9,110位居民亦被搬遷[9][10]。中國政府為當地居民的搬遷投入了約2.69億美元的扶貧資金和銀行貸款，而望遠鏡本身的建設費用僅為1.8億美元[11]。在2008年12月26日，在施工現場舉行了奠基儀式[12]。2011年3月25日，FAST工程正式開工建設[6][13][14]。2012年12月31日，台址開挖主體工程竣工[6]。2013年12月31日，FAST完成鋼結構主動反射面環形支撐圈樑的製造與安裝。[15]。2014年11月30日，饋源支撐塔建成[6]。2015年2月4日，大跨度索網安裝工程完成[6]。2015年8月2日，第一塊反射面單元成功吊裝[6]。2015年11月21日，饋源艙成功起艙進入聯調階段[6]。2016年7月3日上午，最後一個面板安裝完成[9][14][16][17]，FAST望遠鏡主體工程完成[6][18][19]。

2016年9月25日，FAST望遠鏡正式開光，開始測試和調適設備[20]。第一次觀測是在主反射器沒有活動的情況，以它固定的形狀配置下進行，並藉由地球的自轉掃描天空[8]。因為較長的波長對反射器形狀誤差的寬容度較大，隨後的早期科學研究將在較低的頻率下進行[21]，以使主動表面達到其設計精度[22]。校準各種儀器需要三年的時間，之後就會全面投入運行[20]，中國進入觀天時代。終極目標在尋找宇宙規律（Looking for the law of the universe）。2017年底，預計首批觀測數據公佈[23]。

2017年10月10日，中國科學院宣佈FAST首次新發現兩顆脈衝星，其中一顆編號J1859-0131(又名FP1-FAST pulsar #1)，自轉周期為1.83秒，據估算距離地球1.6萬光年；一顆編號J1931-01(又名FP2，隨後被證實該脈衝星已於2007年被美國GBT望遠鏡350 MHz 漂移巡天項目所發現[24][25])，自轉周期0.59秒，據估算距離地球約4100光年。這兩顆脈衝星分別由FAST於2017年8月22日、25日在南天銀道面通過漂移掃描發現。[26]

2018年，「中國天眼」安裝並調試了專門用於地外文明搜索的後端設備。這個功能有點像篩子的後端設備，主要就是從「中國天眼」浩如煙海的電磁信號中，篩選出有用的窄帶候選信號，而把天體和人工信號排除掉。美國加州大學伯克利分校地外文明研究團隊基於幾十年的地外文明搜索經驗，攜手中國科學院國家天文台，為「中國天眼」量身開發了這套專門設備。北京師範大學天文系宇宙學與地外文明研究團組張同傑教授預計2020年9月後可以投入新觀測，啟動針對地外文明的搜索。[27]

建成後超越波多黎各的阿雷西博天文台，成為世界上最大的單面口徑球面無線電望遠鏡[28]。

該項目最初的預算是人民幣7億元[2]:49[13]，最終的造價是人民幣12億元（1.8億美元）[9][29]。主鏡促動器也產生無線電干擾，由於沒有現成的防護罩，所以需要自主研製防護罩以抑制主鏡像促動器的電磁干擾（radio-frequency interference，RFI）[8]。2015年，主鏡促動器經過重新設計後安裝在FAST，干擾問題已不再發生。[30]

2018年，FAST安裝並調試專門用於地外文明搜索的篩選的窄帶候選信號後端設備，該設備由加利福尼亞大學柏克萊分校的地外文明研究團隊開發；2020年中設備升級，同年9月後投入新觀測[31]。

2020年1月11日，FAST通過驗收，正式投入運行[32]。

2021年4月1日起，FAST對全球科學界開放，徵集來自全球科學家的觀測申請[33]。

2022年3月，「中國天眼」觀測到宇宙極端爆炸起源證據，這一發現於18日刊登於《科學》雜誌。[34]

2022年中期，中國科學院國家天文台研究員李菂領導的國際團隊，通過中國天眼FAST的「多科學目標同時巡天（CRAFTS）」優先重大項目，發現了迄今為止唯一一例持續活躍的重複快速無線電暴 FRB 20190520B。之後該團隊通過組織多台國際設備天地協同觀測，綜合無線電干涉陣列、光學、紅外望遠鏡以及空間高能天文台的數據，將FRB 20190520B定位於一個距離我們30億光年的貧金屬的矮星系，確認近源區域擁有目前已知的最大電子密度，並發現了迄今第二個FRB持續無線電源對應體（Persistent Radio Source , PRS）。上述發現揭示了活躍重複暴周邊的複雜環境有類似超亮超新星爆炸的特徵，挑戰了對 FRB 色散分析的傳統觀點，為構建快速無線電暴的演化模型、理解這一劇烈的宇宙神秘現象打下了基礎。該成果於北京時間2022年6月9日在國際學術期刊《自然》（Nature）發表。[35]

2022年，中國科學院國家天文台研究員徐聰領導的國際團隊利用中國天眼FAST對緻密星系群「斯蒂芬五重星系」及周圍天區的氫原子氣體進行了成像觀測，發現了1個尺度大約為2百萬光年的巨大原子氣體系統，這是至發現時為止在宇宙中探測到的最大的原子氣體系統。該成果於北京時間2022年10月19日在國際學術期刊《自然》雜誌發表。[36]

截至2024年4月17日，中國天眼發現的新脈衝星數量突破900顆。[37]

2024年9月25日，一台40米級的無線電望遠鏡（核心陣試驗樣機）開始建設。[38]

科學任務

FAST的網站列出了下列項目做為這架電波望遠鏡的科學目標[39]：

  1. 大規模中性氫的巡天調查
  2. 脈衝星的發現
  3. 領導國際VLBI的網絡
  4. 檢測星際分子
  5. 檢測星際通信訊號
  6. 脈衝星計時陣列（英語：Pulsar timing array）[40]

FAST望遠鏡於2016年10月加入SETI的突破傾聽（英語：Breakthrough Listen）專案，以尋找宇宙中的智慧外星通信[41]。

與阿雷西博天文台的比較

外部圖片連結
  500米口徑球面無線電望遠鏡藝術概念圖[失效連結]
 
阿雷西博天文台電波望遠鏡（上）與FAST(中）和RATAN-600（下）的對比圖。

FAST的基本設計與現已坍塌的阿雷西博天文台的電波望遠鏡相似：兩者都是在天然形成的滲穴內安裝固定的反射器，反射器以穿孔鋁板製成，上方懸掛着有可移動的接收器。兩者的有效口徑也都小於主鏡實體的尺寸。但是，除了大小之外，還有五個顯著的差異[42][43][44]。

首先，阿雷西博的反射盤是固定的一個球形。雖然它也懸掛在鋼纜網上，下面也有支撐可以微調它的形狀，但它們僅用於維護，並且是用手動操作和調整[42]。它是一個固定的球形，並且有兩個額外的反射器懸掛在上面，以修正由球面產生的球面像差[45]。

其次，阿雷西博的接收平台固定在一個定點。為了支撐附加反射器更大的重量，主要的支撐電纜是靜態的，唯一電動的部分是用於補償熱膨脹的三個抑制絞車[42]:3。天線安裝在平台下方的旋轉臂上[42]:4。這種較小的運動範圍限制它只能查看天頂距19.7° 範圍內的物件[46]。

第三，阿雷西博可以接收更高的頻率。組成FAST主反射器的三角形面板限制了其近似拋物面的精確度，因而限制了它可以聚焦的最短波長。阿雷西博更嚴格的設計使其能夠將銳焦保持到3公分的波長（10GHz）；FAST的限制為10公分（3GHz）。二階位置控制的改進，或許可以將其推進至6公分（5GHz），但主反射器成為最終的限制。

第四，FAST的盤面更深，有助於更廣大的視野。儘管FAST的盤面直徑比阿雷西博的大64%，300米300米（980英尺）[14]:3的曲率半徑也比阿雷西博的270米（870英尺）大，形成的圓心弧是113°（阿雷西博是70°）。儘管阿雷西博在觀察天頂時可以使用到全口徑的305米（1,000英尺），但典型的傾斜觀測的有效口徑只有221米（725英尺）[42]:4（因為阿雷西博的位置接近赤道，所以可以經由地球的自轉掃描到較大部分的天空而得到補償。阿雷西博位於北緯18.35°，而FAST位於北緯約25.80°N，向北偏移了約7.5°）。

第五，阿雷西博的大型二級平台擁有幾個發射器，使其成為世界上僅有的兩個雷達天文學儀器之一。在NASA的資助下的行星雷達系統，使阿雷西博可以研究從水星到土星的固體物質，並對近地天體，特別是有潛在威脅天體，執行非常精密的軌道測定。阿雷西博還有幾個由NSF資助研究電離層的雷達。對於FAST的小型接收平台艙而言，這些強大的發射機是太大、太重了，因此它將無法參與行星防禦計劃（英語：Asteroid impact avoidance）。

技術細節

 
FAST縮比模型中的饋源艙

由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。主動反射面是由上萬根鋼索和4450個反射單元組成的球冠型索膜結構，其外形像一口巨大的鍋，接收面積相當於30個標準足球場。[47] 其創新設計方案為西安電子科技大學首提，由懸索支撐的饋源艙與饋源定位技術也源自該校。[48]

FAST有一個固定在自然凹陷的滲穴景觀（岩溶）中的主反射器，將接收到的電波聚焦在懸掛在其上方140米（460英尺）的"饋源艙"的接收天線上。主反射器用穿孔鋁板製成，由懸掛在輪緣上的鋼纜網支撐，

FAST的表面由4,450片[9]每邊長約11米（36英尺）的三角形[49]組成測地線圓頂（英語：Geodesic dome）的形式。位於下方的2,225個絞車[8]使其成為主動表面，可以拉動面板之間的接頭，將柔性鋼纜支架變形為與所需天空方向對齊的拋物面天線（英語：Parabolic antenna）[42]。

 
"饋源艙"的六個支撐塔之一。

反射器上方是由六個高塔支撐，使用絞車伺服機構移動的一個輕型的電纜機械人（英語：Cable robots）"饋源艙"[14]:13。接收天線安裝在斯圖瓦平台（英語：Stewart platform）的下方，可以提供精細的位置控制，並補償風運動等的干擾[14]:13，使指向精度可以高達8弧秒[2]:24[7]:179。

 
在500米圓盤內的300米口徑圖解。

在天頂角60度的最大範圍內，有效的照明光圈會降低至200米，當有效且無損耗的照明光圈為300米時，角度為26.4度[50][2]:13。

儘管反射器的直徑為500米（1,600英尺），但一次只能使用直徑300米的圓（維持正確的拋物面形狀的接收器照亮面）[14]:13。

它的工作頻率在70MHz至3.0GHz[51]，此參數接近拋物面鏡可以設置的精確度上限。它可以略有改進，但三角形段的大小限制了可以接收的最短波長。此範圍由饋源艙下的9個接收器覆蓋[2]:30，1.23–1.53GHz頻帶是氫線周圍的頻率，使用澳大利亞聯邦科學與工業研究組織製造的19束接收器。這是澳洲科學院和中國科學院[52]合作的澳中天體物理研究聯合會（英語：Australian-China Consortium for Astrophysical Research）的一部分[53]。

蒐集到的大量資料將由澳大利亞伯斯國際電波天文學中心（International Center for Radio Astronomy，ICRAR）和歐洲南方天文台開發的次世代檔案系統（Next Generation Archive System，NGAS）儲存和維護[54]。

項目團隊

500米口徑球面無線電望遠鏡（FAST）將於4月1日正式對全球科學界開放，徵集來自全球科學家的觀測申請。自4月1日起，各國科學家可以通過在線方式向中國國家天文台提交觀測申請，8月1日起分配觀測時間。

「中國天眼」工程的發起者及奠基人是[8]中國科學院國家天文台研究員南仁東。自1994年起，他一直負責工程的選址、預研究、立項、可行性研究及初步設計，編訂了科學目標，指導了各項關鍵技術的研究及試驗。他在生前也擔任「中國天眼」的首席科學家[17]兼總工程師[8][55]。

  • 現任總工程師：姜鵬（中國科學院國家天文台研究員）
  • 現任副總工程師：李菂（中國科學院國家天文台）、錢宏亮（哈爾濱工業大學威海校區海洋工程學院院長）等

學院一直難以為望遠鏡尋找到工作人員[29][56]。以它的規模，需要大量的工作人員，但因為位置偏遠，很難吸引到天文學家，使得望遠鏡不太可能在一段時間內滿載運行[57]。由於中國幾乎沒有電波天文學家[來源請求]，他們在國際上招募工作人員，但工資不高，許多人也擔心這個高規格的專案在管理上會很嚴格[29][56]。

自2017年5月以來，由於原首席科學家南仁東因病離職，學院一直在為FAST尋找合適的首席科學家，但全球符合資格的專才寥寥可數，一直未能填補這個職缺[58][29][56]。雖然人們普遍引用的待遇是120萬美元，但這是一次性的研究補助金，而不是薪資或持續性的資助[56]。後來首席科學家職位尋來美國康奈爾大學射電天文博士李菂擔任。

人為電磁活動干擾

當地政府希望通過FAST景區吸引遊客赴當地參觀，發展旅遊業，但遊客攜帶的產生電磁輻射的電器設備則有可能對望遠鏡觀測造成影響[59]，就關於人為電磁活動影響FAST科學探測的問題，貴州省人民政府在2013年發佈了具有採用分層級的方式控制電磁波干擾的《貴州省500米口徑球面無線電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》[60][61]，該辦法於當年11月1日起執行[62]、規定了以FAST台址為圓心，將周邊30公里內設置為寧靜區，區間內又細分有半徑5公里內的核心區，5至10公里內的中間區，10至30公里內的邊遠區[63]；辦法第十條規定核心區內嚴禁設置、使用無線電台（站），嚴禁建設產生輻無線電磁波的設施[64]。2019年1月，貴州省人民政府公佈新版《貴州省500米口徑球面無線電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》，該辦法於當年4月1日起施行[65][66]。新辦法規定FAST電磁波寧靜區核心區內禁止擅自攜帶手機、數碼相機、平板電腦、對講機、無人機等無線電發射設備或者產生電磁輻射的電子產品，最高處罰上限由5000元提高到20萬元[67][68]，同時調整了空域上空現有航線，移除半徑為30公里的空域並劃設飛行管控區，該空域內不再規劃新航線[69]。

軼聞

  • 2018年10月29日，《科技日報》以《「中國天眼」10萬年薪難覓駐地科研人才》為題，報道了FAST駐地人員招聘難的情況。根據此報道，FAST準備以人力派遣形式，按工資加駐地補貼每年約10萬人民幣的待遇招聘駐地人員，但招聘時遭遇市場冷遇。[70]有評論認為，FAST招聘門檻很高，但工作枯燥、位置偏僻、待遇太低，與其他行業相比沒有什麼吸引力，招聘失敗應該在意料之中。[71]
  • 終於，在2021年4月22日舉行的一場媒體溝通會上，總工程師姜鵬表示天眼團隊人數已超一百多人。[72]
  • 該望遠鏡出現在奈爾·德葛拉司·泰森的電視節目《宇宙時空之旅：未知世界》的《在地球上尋找智慧生物》（The Search for Intelligent Life on Earth）一集中。

參見

參考資料

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進階讀物

外部連結

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