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500米口径球面射电望远镜

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米口径球面射电望远镜（英语：Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST）又被称为“中国天眼”，是中国科学院国家天文台的一座射电望远镜，FAST主体工程于2011年开工，2016年落成；是目前世界第一大的填充口径（即全口径均有反射面的）射电望远镜[4]；若不局限于球面无线电望远镜，则是仅次于俄罗斯RATAN-600环状射电望远镜的世界第二大的单一口径射电望远镜[5]。

500米口径球面射电望远镜
从上面拍摄的望远镜（2020年）
基本资料
位置 中华人民共和国贵州省平塘县克度镇大窝凼洼地
坐标25°39′10.5″N 106°51′23.7″E / 25.652917°N 106.856583°E / 25.652917; 106.856583[1]
波长10 cm 至 4.3 m[2]:11[3]
建筑2011年3月25日–2016年7月3日
启用2016年9月25日
望远镜型式可变形的固定性
口径500 m (主体)
300 m (有效)[2]:12
集光面积70000 m2
焦长140 m (f/0.466)[2]:12
圆顶无
fast.bao.ac.cn
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历史

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2015年8月FAST正在兴建

1994年，国家天文台提出建造FAST项目的设想并开展预研工作。1994年4月，预研究及贵州选址工作启动[6]。

以哈尔滨工业大学空间结构研究中心沈世钊院士、范峰教授、钱宏亮教授为首的研究团队，自2003年起全程参与FAST项目结构系统的预研、可行性研究和初步设计。

在2007年7月国家发展及改革委员会批准此一专案[7][8][6]，哈工大作为第一合作单位，负责反射面结构系统的初步设计。

经过考察，望远镜的建设定点定在贵州省平塘县克度镇大窝凼洼地，利用喀斯特洼地的地势而建，村民随即搬迁[9]；为了避开电磁波干扰，居住在望远镜半径5公里内的9,110位居民亦被搬迁[9][10]。中国政府为当地居民的搬迁投入了约2.69亿美元的扶贫资金和银行贷款，而望远镜本身的建设费用仅为1.8亿美元[11]。在2008年12月26日，在施工现场举行了奠基仪式[12]。2011年3月25日，FAST工程正式开工建设[6][13][14]。2012年12月31日，台址开挖主体工程竣工[6]。2013年12月31日，FAST完成钢结构主动反射面环形支撑圈梁的制造与安装。[15]。2014年11月30日，馈源支撑塔建成[6]。2015年2月4日，大跨度索网安装工程完成[6]。2015年8月2日，第一块反射面单元成功吊装[6]。2015年11月21日，馈源舱成功起舱进入联调阶段[6]。2016年7月3日上午，最后一个面板安装完成[9][14][16][17]，FAST望远镜主体工程完成[6][18][19]。

2016年9月25日，FAST望远镜正式开光，开始测试和调适设备[20]。第一次观测是在主反射器没有活动的情况，以它固定的形状配置下进行，并借由地球的自转扫描天空[8]。因为较长的波长对反射器形状误差的宽容度较大，随后的早期科学研究将在较低的频率下进行[21]，以使主动表面达到其设计精度[22]。校准各种仪器需要三年的时间，之后就会全面投入运行[20]，中国进入观天时代。终极目标在寻找宇宙规律（Looking for the law of the universe）。2017年底，预计首批观测数据公布[23]。

2017年10月10日，中国科学院宣布FAST首次新发现两颗脉冲星，其中一颗编号J1859-0131(又名FP1-FAST pulsar #1)，自转周期为1.83秒，据估算距离地球1.6万光年；一颗编号J1931-01(又名FP2，随后被证实该脉冲星已于2007年被美国GBT望远镜350 MHz 漂移巡天项目所发现[24][25])，自转周期0.59秒，据估算距离地球约4100光年。这两颗脉冲星分别由FAST于2017年8月22日、25日在南天银道面通过漂移扫描发现。[26]

2018年，“中国天眼”安装并调试了专门用于地外文明搜索的后端设备。这个功能有点像筛子的后端设备，主要就是从“中国天眼”浩如烟海的电磁信号中，筛选出有用的窄带候选信号，而把天体和人工信号排除掉。美国加州大学伯克利分校地外文明研究团队基于几十年的地外文明搜索经验，携手中国科学院国家天文台，为“中国天眼”量身开发了这套专门设备。北京师范大学天文系宇宙学与地外文明研究团组张同杰教授预计2020年9月后可以投入新观测，启动针对地外文明的搜索。[27]

建成后超越波多黎各的阿雷西博天文台，成为世界上最大的单面口径球面射电望远镜[28]。

该项目最初的预算是人民币7亿元[2]:49[13]，最终的造价是人民币12亿元（1.8亿美元）[9][29]。主镜促动器也产生无线电干扰，由于没有现成的防护罩，所以需要自主研制防护罩以抑制主镜像促动器的电磁干扰（radio-frequency interference，RFI）[8]。2015年，主镜促动器经过重新设计后安装在FAST，干扰问题已不再发生。[30]

2018年，FAST安装并调试专门用于地外文明搜索的筛选的窄带候选信号后端设备，该设备由加利福尼亚大学柏克莱分校的地外文明研究团队开发；2020年中设备升级，同年9月后投入新观测[31]。

2020年1月11日，FAST通过验收，正式投入运行[32]。

2021年4月1日起，FAST对全球科学界开放，征集来自全球科学家的观测申请[33]。

2022年3月，“中国天眼”观测到宇宙极端爆炸起源证据，这一发现于18日刊登于《科学》杂志。[34]

2022年中期，中国科学院国家天文台研究员李菂领导的国际团队，通过中国天眼FAST的“多科学目标同时巡天（CRAFTS）”优先重大项目，发现了迄今为止唯一一例持续活跃的重复快速射电暴 FRB 20190520B。之后该团队通过组织多台国际设备天地协同观测，综合射电干涉阵列、光学、红外望远镜以及空间高能天文台的数据，将FRB 20190520B定位于一个距离我们30亿光年的贫金属的矮星系，确认近源区域拥有目前已知的最大电子密度，并发现了迄今第二个FRB持续射电源对应体（Persistent Radio Source , PRS）。上述发现揭示了活跃重复暴周边的复杂环境有类似超亮超新星爆炸的特征，挑战了对 FRB 色散分析的传统观点，为构建快速射电暴的演化模型、理解这一剧烈的宇宙神秘现象打下了基础。该成果于北京时间2022年6月9日在国际学术期刊《自然》（Nature）发表。[35]

2022年，中国科学院国家天文台研究员徐聪领导的国际团队利用中国天眼FAST对致密星系群“斯蒂芬五重星系”及周围天区的氢原子气体进行了成像观测，发现了1个尺度大约为2百万光年的巨大原子气体系统，这是至发现时为止在宇宙中探测到的最大的原子气体系统。该成果于北京时间2022年10月19日在国际学术期刊《自然》杂志发表。[36]

截至2024年4月17日，中国天眼发现的新脉冲星数量突破900颗。[37]

2024年9月25日，一台40米级的射电望远镜（核心阵试验样机）开始建设。[38]

科学任务

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FAST的网站列出了下列项目做为这架电波望远镜的科学目标[39]：

  1. 大规模中性氢的巡天调查
  2. 脉冲星的发现
  3. 领导国际VLBI的网络
  4. 检测星际分子
  5. 检测星际通信讯号
  6. 脉冲星计时阵列（英语：Pulsar timing array）[40]

FAST望远镜于2016年10月加入SETI的突破倾听（英语：Breakthrough Listen）专案，以寻找宇宙中的智慧外星通信[41]。

与阿雷西博天文台的比较

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外部图片链接
  500米口径球面射电望远镜艺术概念图[失效链接]
 
阿雷西博天文台电波望远镜（上）与FAST(中）和RATAN-600（下）的对比图。

FAST的基本设计与现已坍塌的阿雷西博天文台的电波望远镜相似：两者都是在天然形成的渗穴内安装固定的反射器，反射器以穿孔铝板制成，上方悬挂着有可移动的接收器。两者的有效口径也都小于主镜实体的尺寸。但是，除了大小之外，还有五个显著的差异[42][43][44]。

首先，阿雷西博的反射盘是固定的一个球形。虽然它也悬挂在钢缆网上，下面也有支撑可以微调它的形状，但它们仅用于维护，并且是用手动操作和调整[42]。它是一个固定的球形，并且有两个额外的反射器悬挂在上面，以修正由球面产生的球面像差[45]。

其次，阿雷西博的接收平台固定在一个定点。为了支撑附加反射器更大的重量，主要的支撑电缆是静态的，唯一电动的部分是用于补偿热膨胀的三个抑制绞车[42]:3。天线安装在平台下方的旋转臂上[42]:4。这种较小的运动范围限制它只能查看天顶距19.7° 范围内的物件[46]。

第三，阿雷西博可以接收更高的频率。组成FAST主反射器的三角形面板限制了其近似抛物面的精确度，因而限制了它可以聚焦的最短波长。阿雷西博更严格的设计使其能够将锐焦保持到3公分的波长（10GHz）；FAST的限制为10公分（3GHz）。二阶位置控制的改进，或许可以将其推进至6公分（5GHz），但主反射器成为最终的限制。

第四，FAST的盘面更深，有助于更广大的视野。尽管FAST的盘面直径比阿雷西博的大64%，300米300米（980英尺）[14]:3的曲率半径也比阿雷西博的270米（870英尺）大，形成的圆心弧是113°（阿雷西博是70°）。尽管阿雷西博在观察天顶时可以使用到全口径的305米（1,000英尺），但典型的倾斜观测的有效口径只有221米（725英尺）[42]:4（因为阿雷西博的位置接近赤道，所以可以经由地球的自转扫描到较大部分的天空而得到补偿。阿雷西博位于北纬18.35°，而FAST位于北纬约25.80°N，向北偏移了约7.5°）。

第五，阿雷西博的大型二级平台拥有几个发射器，使其成为世界上仅有的两个雷达天文学仪器之一。在NASA的资助下的行星雷达系统，使阿雷西博可以研究从水星到土星的固体物质，并对近地天体，特别是有潜在威胁天体，执行非常精密的轨道测定。阿雷西博还有几个由NSF资助研究电离层的雷达。对于FAST的小型接收平台舱而言，这些强大的发射机是太大、太重了，因此它将无法参与行星防御计划（英语：Asteroid impact avoidance）。

技术细节

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FAST缩比模型中的馈源舱

由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。主动反射面是由上万根钢索和4450个反射单元组成的球冠型索膜结构，其外形像一口巨大的锅，接收面积相当于30个标准足球场。[47] 其创新设计方案为西安电子科技大学首提，由悬索支撑的馈源舱与馈源定位技术也源自该校。[48]

FAST有一个固定在自然凹陷的渗穴景观（岩溶）中的主反射器，将接收到的电波聚焦在悬挂在其上方140米（460英尺）的"馈源舱"的接收天线上。主反射器用穿孔铝板制成，由悬挂在轮缘上的钢缆网支撑，

FAST的表面由4,450片[9]每边长约11米（36英尺）的三角形[49]组成测地线圆顶（英语：Geodesic dome）的形式。位于下方的2,225个绞车[8]使其成为主动表面，可以拉动面板之间的接头，将柔性钢缆支架变形为与所需天空方向对齐的抛物面天线（英语：Parabolic antenna）[42]。

 
"馈源舱"的六个支撑塔之一。

反射器上方是由六个高塔支撑，使用绞车伺服机构移动的一个轻型的电缆机器人（英语：Cable robots）"馈源舱"[14]:13。接收天线安装在斯图瓦平台（英语：Stewart platform）的下方，可以提供精细的位置控制，并补偿风运动等的干扰[14]:13，使指向精度可以高达8弧秒[2]:24[7]:179。

 
在500米圆盘内的300米口径图解。

在天顶角60度的最大范围内，有效的照明光圈会降低至200米，当有效且无损耗的照明光圈为300米时，角度为26.4度[50][2]:13。

尽管反射器的直径为500米（1,600英尺），但一次只能使用直径300米的圆（维持正确的抛物面形状的接收器照亮面）[14]:13。

它的工作频率在70MHz至3.0GHz[51]，此参数接近抛物面镜可以设置的精确度上限。它可以略有改进，但三角形段的大小限制了可以接收的最短波长。此范围由馈源舱下的9个接收器覆盖[2]:30，1.23–1.53GHz频带是氢线周围的频率，使用澳大利亚联邦科学与工业研究组织制造的19束接收器。这是澳洲科学院和中国科学院[52]合作的澳中天体物理研究联合会（英语：Australian-China Consortium for Astrophysical Research）的一部分[53]。

搜集到的大量资料将由澳大利亚伯斯国际电波天文学中心（International Center for Radio Astronomy，ICRAR）和欧洲南方天文台开发的次世代档案系统（Next Generation Archive System，NGAS）储存和维护[54]。

项目团队

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500米口径球面射电望远镜（FAST）将于4月1日正式对全球科学界开放，征集来自全球科学家的观测申请。自4月1日起，各国科学家可以通过在线方式向中国国家天文台提交观测申请，8月1日起分配观测时间。

“中国天眼”工程的发起者及奠基人是[8]中国科学院国家天文台研究员南仁东。自1994年起，他一直负责工程的选址、预研究、立项、可行性研究及初步设计，编订了科学目标，指导了各项关键技术的研究及试验。他在生前也担任“中国天眼”的首席科学家[17]兼总工程师[8][55]。

  • 现任总工程师：姜鹏（中国科学院国家天文台研究员）
  • 现任副总工程师：李菂（中国科学院国家天文台）、钱宏亮（哈尔滨工业大学威海校区海洋工程学院院长）等

学院一直难以为望远镜寻找到工作人员[29][56]。以它的规模，需要大量的工作人员，但因为位置偏远，很难吸引到天文学家，使得望远镜不太可能在一段时间内满载运行[57]。由于中国几乎没有电波天文学家[来源请求]，他们在国际上招募工作人员，但工资不高，许多人也担心这个高规格的专案在管理上会很严格[29][56]。

自2017年5月以来，由于原首席科学家南仁东因病离职，学院一直在为FAST寻找合适的首席科学家，但全球符合资格的专才寥寥可数，一直未能填补这个职缺[58][29][56]。虽然人们普遍引用的待遇是120万美元，但这是一次性的研究补助金，而不是薪资或持续性的资助[56]。后来首席科学家职位寻来美国康奈尔大学射电天文博士李菂担任。

人为电磁活动干扰

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当地政府希望通过FAST景区吸引游客赴当地参观，发展旅游业，但游客携带的产生电磁辐射的电器设备则有可能对望远镜观测造成影响[59]，就关于人为电磁活动影响FAST科学探测的问题，贵州省人民政府在2013年发布了具有采用分层级的方式控制电磁波干扰的《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》[60][61]，该办法于当年11月1日起执行[62]、规定了以FAST台址为圆心，将周边30公里内设置为宁静区，区间内又细分有半径5公里内的核心区，5至10公里内的中间区，10至30公里内的边远区[63]；办法第十条规定核心区内严禁设置、使用无线电台（站），严禁建设产生辐射电磁波的设施[64]。2019年1月，贵州省人民政府公布新版《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》，该办法于当年4月1日起施行[65][66]。新办法规定FAST电磁波宁静区核心区内禁止擅自携带手机、数码相机、平板电脑、对讲机、无人机等无线电发射设备或者产生电磁辐射的电子产品，最高处罚上限由5000元提高到20万元[67][68]，同时调整了空域上空现有航线，移除半径为30公里的空域并划设飞行管控区，该空域内不再规划新航线[69]。

轶闻

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  • 2018年10月29日，《科技日报》以《“中国天眼”10万年薪难觅驻地科研人才》为题，报道了FAST驻地人员招聘难的情况。根据此报道，FAST准备以人力派遣形式，按工资加驻地补贴每年约10万人民币的待遇招聘驻地人员，但招聘时遭遇市场冷遇。[70]有评论认为，FAST招聘门槛很高，但工作枯燥、位置偏僻、待遇太低，与其他行业相比没有什么吸引力，招聘失败应该在意料之中。[71]
  • 终于，在2021年4月22日举行的一场媒体沟通会上，总工程师姜鹏表示天眼团队人数已超一百多人。[72]
  • 该望远镜出现在奈尔·德葛拉司·泰森的电视节目《宇宙时空之旅：未知世界》的《在地球上寻找智慧生物》（The Search for Intelligent Life on Earth）一集中。

参见

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参考资料

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进阶读物

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外部链接

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