“中國天眼FAST”為什麼fast？_風聞

【嚴俊，中國科學院國家天文台研究員，博士生導師，FAST工程經理部經理，原國家天文台台長。

王珅，國家天文台天體物理在讀博士，參與FAST望遠鏡早期調試和科學研究，包括分子譜線和快速射電暴探測等。目前在康奈爾大學聯合培養。】

一、FAST是什麼？

FAST 是“中國天眼”的英文首字母縮寫（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，全稱“五百米口徑球面射電望遠鏡”），它是建在貴州省黔南州大窩凼的天文大科學裝置。

FAST 太大了，近距離只能用魚眼攝像的方式拍攝（王珅 攝）

從圈樑上拍攝的“中國天眼”面板，紅框處是一輛工程車（FAST辦公室供圖）

這個“中國天眼”有多大呢？它接收信號的面積約等於30個標準足球場，如果裝滿茅台酒足夠全世界75億人每人分4瓶，是世界上口徑最大、靈敏度最高的單口徑射電天文望遠鏡。

它的反射面由4450面平均邊長11米的三角形（邊緣部分為矩形）鋁合金面板組成，每個面板又由100個小三角形面板拼接而成，通過2250根下拉索和2250個促動器實現面板的指向和主動變形，可以在觀測方向上形成瞬時的拋物面匯聚電磁波，通過面板改正球差，實現望遠鏡的寬頻帶和全偏振功能。這樣特殊的設計，極大的減輕了饋源支撐系統的重量，對比阿雷西博望遠鏡升級後高達2000多噸的饋源支撐系統，“中國天眼”的“眼珠”僅有30餘噸，運行非常靈活。

你可能會想，“中國天眼” 除了大，還有什麼獨特之處呢？首先，要告訴你的是它可不是一般的大，也不是一般的設備，它是“大科學設備”！

大科學裝置是指須通過較多資金投入和浩瀚工程建設來完成，建成後通過長期的穩定運行和持續的科學技術活動，以實現重要科學技術目標的大型設施。其科學技術目標必須面向國際科學技術前沿和國家重大需求，為國家科學技術進步、國防建設與社會經濟的發展做出戰略性、基礎性和前瞻性的貢獻。

（來源：中國科普博覽http://www.kepu.net.cn/gb/perspective_2009/090617_lamost/zhuangzhi.html）

可能還有人要問，我們為什麼需要大科學裝置研究天文？這就要先説一説天文學研究的重要意義。

天文學從誕生起一直是自然科學的核心學科和前沿學科之一，它的每一次重大突破都會在“不經意間”對整個基礎學科乃至人類文明的進程帶來巨大震撼和推動。在發展天文學中累積的觀測成果、技術革新不僅在國家安全、國民經濟方面起到重要作用，而且切實的改變了每一個普通人的生活。比如，對太陽黑子爆發活動的觀測預報關乎發電廠和電網設備的安全；空間碎片的監測預警關乎在軌衞星的安全，進而影響國民的通訊和出行導航。

試想一下，如果沒有長期細緻的觀測記錄，精準快速的計算模型，哪怕只是短暫發生的太陽風暴和極小的空間碎片，都會造成電網中斷、衞星失靈，給國民的生產生活帶來不可估量的損失。

而且，在建設大科學裝置的過程中，也會產生許多改變生活的技術和設備，比如大家生活很難離開的Wi-Fi的部分核心技術，就是澳大利亞的Dr. John O’Sullivan 在驗證霍金輻射的研究過程中開發出來的新技術（Hamaker, J. P.; O’Sullivan, J. D.; Noordam, J. E. (1977), “Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacing interferometry”, J. Opt. Soc. Am., 67 (8): 1122–1123）。因此，大科學裝置帶來的科技進步及影響很難用普通眼光來估計。

我們國家的射電天文學研究起步比國際上其他國家晚了許多。從1933年央斯基（Jansky，同樣也是射電天文流量密度的單位）利用雷達天線在雷暴天氣下研究干擾通訊信號到達方向，進而發現信號來自銀河系中的射電輻射，射電天文學這個只有86歲的年輕學科已經產生了6項相關的諾貝爾獎。20世紀的四大天文發現——類星體、脈衝星、星際分子和微波背景輻射也都是利用射電觀測手段獲得的。

從1937年第一架口徑9.5米的射電天文望遠鏡建成至今，射電天文的口徑也逐步增加，這是因為射電望遠鏡的靈敏度與口徑的平方成正比。天體輻射的電磁波極其微弱，因此需要大口徑的望遠鏡接收更多的信號，才能探測到遙遠深邃宇宙中的奧秘。（小貼士：你能想象嗎？從建設第一台射電望遠鏡建成以來所有射電天文望遠鏡接收的除太陽以外的宇宙天體的信號折算成能量還不足以翻動一頁書！）

而直到1990年，中國最大的射電望遠鏡的口徑也才25米！因此，FAST（快！）的名稱也包含着中國天文學家追趕世界射電研究前沿的急迫心情！快一點！再快一點！（小貼士：“中國天眼”FAST最早的名字是KARST，一平方公里望遠鏡陣，從中也可以看出中國天文學家們的“野心”。）

“中國天眼”作為大科學裝置，在設計與施工過程中就快速催化了一系列新技術、新的管理體系的誕生。舉一個例子，支撐望遠鏡面板的索網結構（相當於“中國天眼”的眼眶）需要超強的疲勞性能（是國家標準規範的2.5倍）、超高的精度要求（±1mm, 標準規範的15倍）和超大的索網跨度（嚴苛場地限制下的500米跨度）。這些研究成果不僅催生了大量自主知識產權專利，而且被快速應用到生產建設中，影響着我們每一個人的生活。（小貼士：你知道嗎？為滿足“中國天眼”建設需要而建立的高精度索結構生產體系在之後也應用在了港珠澳跨海大橋和國際若干大橋的斜拉索生產上。）

“中國天眼”比人類二十世紀十大工程之首（排在阿波羅登月工程之前）的美國原世界最大口徑射電望遠鏡阿雷西博望遠鏡（Arecibo，口徑305米）觀測天區大1倍，最大跟蹤時長長1倍，綜合性能提高約10倍！是當之無愧的最大口徑最高靈敏度的單天線射電望遠鏡。

二、FAST快在哪裏？

FAST快在工程建設沒有延期一天！國家批准FAST工程建設週期為5.5年，FAST工程工程建設從2011年3月5日開工報告批覆之日起，到2016年9月25日如期竣工，歷時2011天，全程沒有出過重大安全事故。這離不開30多所高校和科研院所數百名科技人員的精心研發，離不開數十家大型企業的上千名技術人員和工人們的勤奮工作！離不開這些新時代的“工匠”們！

FAST建設得有多快，變化有多大，以下5幅圖可以説明：

“中國天眼”台址原貌（FAST辦公室供圖）

2014年7月FAST建設情況（FAST辦公室供圖）

2016年3月FAST建設情況（FAST辦公室供圖）

2016年7月FAST建設情況（FAST辦公室供圖）

FAST建設年表

FAST快在調試階段就開始系統發現新脈衝星！通常大型望遠鏡的調試期一般超過4年，比如美國綠岸GBT望遠鏡（100 米）花了6年，意大利SRT望遠鏡（64米）超過5年，而“中國天眼”計劃的調試期只有3年，並且公開徵集的項目觀測要在調試期間同步開展。為此建立的調試核心組，由七個專業小組和一個保障小組進行調試與試觀測。其實，部分設備的調試早在FAST完全建成之前就已經開始了，在調試階段開始不久，2個關鍵調試就已經順利完成。在“中國天眼”面板尚未安裝完畢時，相應的信號處理後端及模擬觀測也已經在同步進行中了。

​這樣做的好處是可以提前訓練了觀測團隊，模擬了觀測流程，檢驗了相應的觀測程序，最終保證了“中國天眼”一建成就馬上可以開始觀測。

模擬觀測時安裝在簡陋的“觀測室”裏的信號處理設備，每晚觀測的數據通過移動硬盤存儲（FAST辦公室供圖）

升級後的臨時監控室（FAST辦公室供圖）

第一代饋源和RFI監測裝置（FAST辦公室供圖）

FAST快在調試階段就已經開始進行科學研究，開展巡天觀測！在不斷校準“中國天眼”的“視力”過程中，“急不可待”的中國天文學家們也爭分奪秒的進行科學觀測，望遠鏡還不能移動，就採用漂移掃描的方式，讓地球自轉帶着“中國天眼”巡天。並且在建成不到一年，就實現了精確的跟蹤觀測模式，對比其他望遠鏡的觀測結果，驗證了“中國天眼”的超高靈敏度和望遠鏡效率。

FAST快在調試階段就開始系統發現新脈衝星，目前已經發現了80餘顆脈衝星候選體！這需要歸功於國家天文台脈衝星搜索團隊提前準備，在“中國天眼”竣工前一年就已經開始集中處理澳大利亞帕克斯（Parkes）望遠鏡的公開數據，對團隊成員進行相應的觀測及數據處理訓練，開發創新搜索軟件和數據庫。當“中國天眼”開始調試時，採用三套流程同時處理數據，並積極的通過國際合作開展相關的後隨觀測，目前已經確認50餘顆新脈衝星，包括數顆毫秒脈衝星。

FAST快在預期在今年通過國家驗收，轉入常規觀測與維護，開放設施與數據。事實上，截止到2月28日，“中國天眼”迎來第一批觀測申請，包括了超過100個項目，首席科學家來自21個研究單位。這個速度簡直是世界天文望遠鏡設備使用的奇蹟！

三、FAST為什麼這麼快？

最後説説“中國天眼”的建設為什麼這麼快。

首先，“中國天眼”的建設離不開國家的大力支持。現代天文學已經成為各國科技實力的綜合體現和世界科技強國的重要標誌，幾代黨和國家的領導人都十分關心和重視天文事業的發展。習總書記在出席第28屆國際天文學聯合大會開幕式時，發表了“攜手探索浩瀚宇宙，共創人類美好未來”的重要講話。劉延東副總理在“中國天眼”竣工儀式上轉達的習總書記賀信中也提出：希望FAST“早出成果，多出成果，出好成果，出大成果”。黨的十九大報告也着重點名了包括“中國天眼”在內的重大科技成果。國家也在逐步加大在天文事業上的投入。

其次，“中國天眼”的建設離不開科學、有組織的規劃。在FAST工程動工前，以國家天文台為核心，各大高校、科研院所、工業機構精誠合作，嚴格的對“中國天眼”的5項關鍵技術進行了可行性研究和模型實驗，對技術方案進行預先研究和逐項攻關。這其中的每一步都包含着巨大的工作量，凝聚了無數科研人員的心血。國家天文台密雲站還提前建設了30米的FAST縮比模型，而這個模型是一個完全可以用於天文觀測的望遠鏡。

20年前，早在FAST正式立項前，相關預研究就已經在中國科學院創新工程首批重大項目經費的支持下開始了。從1994年開始選址一直到2006年選擇了大窩凼這個地球上獨一無二的優良台址，充分利用貴州天然的喀斯特巨型窪地作為望遠鏡台址，減少工程施工量的同時也滿足排水要求，四周的大山提供優良的電磁屏蔽。為了選出這樣優良的台址，選址團隊成員不僅看衞星圖還多次親自探查，最後選定的地點如果通過人工挖掘，需要高達20多億人民幣。“中國天眼”項目的各個團隊也緊密配合，平行的進行相應的預研究，比如動光纜技術的研製就歷時4年多。

FAST立項年表

然後，“中國天眼”的建設離不開自強不息的中國天文人的不懈努力。FAST工程的首席科學家、總工程師，國家天文台南仁東研究員，一生最後22年一直持之以恆地做一個夢和一件事情：高質量的建成FAST，為下一代天文學家打造國之利器！而他本人卻在FAST竣工1週年前夕不幸因病去世。他的事蹟感動並激勵着每一箇中國天文人，無愧於“時代楷模”的稱號！

最後，“中國天眼”的建設離不開民族復興的偉大時代！正是我們生活的這個時代，給了中國天文界發展的機遇，也給了中國天文界挑戰想象力的勇氣。“中國天眼”是中國自主智造的世界上口徑最大、靈敏度最高的單口徑望遠鏡，將在未來10至20年保持國際一流設備的地位，實現了中國射電天文在國際上從“追趕”到“領先”的跨越！已經實現了“早出成果”，正在實現“多出成果”並努力實現“出好成果”，期望“中國天眼”給我們帶來大的驚喜，最終實現“出大成果”！

所以，FAST （“中國天眼”）為什麼 fast （快），就在於“未雨綢繆”，就在於“厚積薄發”，就在於“踏實肯幹”！而最重要的是，如已故南仁東研究員所説：“人類之所以脱穎而出，就是因為有一種對未知探索的精神！”