1993年,，包括中國在內(nèi)的十個國家提出倡議，希望在地球電磁波環(huán)境被人類活動徹底毀滅之前,，建立一個超大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡,。1994年以南仁東為代表的中國天文學(xué)者開始推動一個工程，就是我們現(xiàn)在熟知的“中國天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）,。

2016年9月25號FAST落成啟用,， 項目總投資大概11.8億，僅相當(dāng)于一公里地鐵的造價,，然而卻用它造就了一個超級工程,，第一次把中國射電望遠(yuǎn)鏡提到世界前列，保持10年至20年領(lǐng)先世界,。

2017年11月,，國家天文臺研究員、FAST調(diào)試組組長姜鵬首次在CC講壇面向公眾講述了“中國天眼”三大世界級技術(shù)創(chuàng)新和最新進(jìn)展,，讓我們感受到一線科研人員的自豪與擔(dān)當(dāng),。

FAST——睜開“天眼”看宇宙

姜鵬

國家天文臺研究員

FAST調(diào)試組組長

射電天文是怎么回事？

我叫姜鵬,，來自于FAST工程,。我們現(xiàn)在的FAST工程是去建造一個世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，被喻為中國天眼,。要介紹它得先了解一下射電天文的由來,。

其實厚厚的大氣層在兩個波段是透明的，一個就是可見光的波段，也就是我們視覺覆蓋的范圍,。所以我們能夠看到太陽光照射在地上,，然后我們?nèi)庋勰茏R別世間的千變?nèi)f化的物質(zhì)，同時我們也能分辨出五顏六色,，我們視覺覆蓋范圍與這個窗口正好是重疊的,，這也正好解釋了物競天擇、適者生存的道理,。

我們在千百年來都是通過可見光窗口去觀測宇宙的,，去看天文天體。例如古代的占星術(shù),，再如伽利略利用第一臺望遠(yuǎn)鏡看到了月球的環(huán)形坑,。時至今日吧，光學(xué)天文也仍然是我們天文學(xué)的一個重要的分支,。

但是厚厚的大氣層其實還有另外一個窗口,，就是不容易被我們察覺到，那就是無線電窗口,。這個窗口的發(fā)現(xiàn)是源于一次偶然的發(fā)現(xiàn),，一個叫卡爾?央斯基的一個人，在1931年做一次雷達(dá)通訊實驗的時候發(fā)現(xiàn)一次24小時周期的干擾信號,。

然后在后面的一個小型的聽證會上,，就有人指出了這可能是一個非地球起源。那隨后的觀測認(rèn)證,，就證明了這屬于我們的銀河系中心,。由此光學(xué)傳統(tǒng)的天文學(xué)揭開了它歷史的新一頁，就是射電天文學(xué),。

決定建一個超大口徑的望遠(yuǎn)鏡

時至今日,，射電天文學(xué)為我們貢獻(xiàn)了四大發(fā)現(xiàn)，第一個就是脈沖星,，它證明了中子星預(yù)言的真實存在,，也間接地證明了引力波的存在，這個是比我們現(xiàn)在提到的LIGO還要早幾十年,。同時它還為我們提供了宇宙大分子,，就是為生命起源提供了另一種解釋。那微波背景輻射則作為宇宙大爆炸理論的一個佐證,，同時還發(fā)現(xiàn)了離我們最遙遠(yuǎn)的星體叫類星體,。

在1993年的國際無線電大會上，中國在內(nèi)的這十個國家提出一種倡議,，就是希望在我們地球電磁波環(huán)境被人類的活動徹底毀滅之前,，建立一個超大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡,。

1994年以南仁東為代表的一些中國天文學(xué)者開始推動了一個我們現(xiàn)在的工程，叫FAST工程立項,，這也就是我們FAST工程的一個由來,。

FAST可以說是開創(chuàng)了一個建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的一個新模式。傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡的工作模式是比較簡單的,，但是受風(fēng)載荷自重等因素的影響,，它的口徑極限很難突破到百米。

那FAST工程采用特殊的設(shè)計,，它由6000多根鋼索編成的索網(wǎng)掛在一個500米直徑上的圈梁上,，索網(wǎng)大概有兩千多個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)都會設(shè)置一根下拉索,，這個下拉索會連接到固定在地面上的促動器，通過促動器的控制就可以改變這個索網(wǎng)形狀,，可以是球面,，可以是拋物面。

它可以在索網(wǎng)的局部區(qū)域形成一個直徑為300米的拋物面,，平行光遇到拋物面,，它就會匯聚到一個焦點(diǎn)，這樣我們通過六根鋼索控制它的接收機(jī)系統(tǒng)到焦點(diǎn)的位置,，收集電磁波信號,，這樣就可以對天體進(jìn)行觀測。當(dāng)我們改變拋物面在反射面的位置的時候,，就像人轉(zhuǎn)動自己的眼球一樣,，天眼它也轉(zhuǎn)動了它的眼球，可以看不同方向的天體,。

FAST到底有多大

那FAST到底有多大,？就是說如果我們把它想象成一口鍋的話，全世界每個人可以分享四瓶茅臺,，夠我們所有人好好的喝幾頓的,，然后如果裝滿的都是水的話，我們?nèi)澜缛孙嬘靡惶焓亲銐蛄恕?/p>

這樣的一個大口徑的望遠(yuǎn)鏡就是使我們在望遠(yuǎn)鏡的歷史上,，首次在靈敏度這個重要參數(shù)上站到了世界之巔,。我們青年一代應(yīng)該秉承著老一代天文工作者的意志，就是把這個望遠(yuǎn)鏡調(diào)試好,、運(yùn)行好,，產(chǎn)生更重要的科學(xué)成果。

先找一個合適的坑

那它第一個涉及到的重要的工程就是臺址開挖工程,，首先你要選一個合適的臺址,，那我們最后從300多個洼地歷經(jīng)13年 把它定在了一個叫大窩凼的地方,。

那為什么會把它選擇在這里？一個就是它有一個天然巨大的洼坑,，我們只是在這個洼坑上修修補(bǔ)補(bǔ),，就像削蘋果皮一樣，就花了一個多億,，如果要在平地上挖這樣一個坑的話,，我想幾個望遠(yuǎn)鏡成本投入進(jìn)去可能都不夠。

另外貴州地貌是比較險峻,，人煙也比較少,，就是人的活動是比較少的。那電磁波的環(huán)境是跟人的活動直接相關(guān)的,，人群比較稀少的話,，可以給我們提供一個優(yōu)良的臺址，我們可不希望建造一個望遠(yuǎn)鏡到處都是人的干擾信號,，對吧,？那你觀測就沒有任何意義了。

同時它是一個貴州的喀斯特洼地,，地質(zhì)條件還是相對來說比較穩(wěn)定的,，是屬于石灰?guī)r地區(qū)，這樣它的邊坡支護(hù)工程也會節(jié)省成本,。

最重要的是,，地下暗河比較發(fā)育。貴州有很多的大坑,，但是都沒有水,，所以它就是落下去之后就流走了，地下的暗河非常的發(fā)育,。它為什么會形成這么大的坑,，也是因為它長時間的沖刷，它是石灰?guī)r嘛,，遇水會溶解,，就是暗河會越?jīng)_越大，沖到一定大的程度的時候,，它就會溶塌成一個坑,。

這是我們臺址工程的一些重要的組成部分，雖說我們臺址工程不是很大,，就一個多億,，但是它覆蓋了巖土工程所有的成分，包括道路工程,、邊坡支護(hù)工程,，還有一些危巖處理工程,、臺址開挖工程等等，還有隧道工程,，那我們整個開挖工程涉及的開方量大概是80萬方,。

沒有條件也要創(chuàng)造條件

因為貴州的地貌是非常特殊的，它就有一句話叫地?zé)o三尺平嘛,，所以平地對它來說是非常珍貴的,，我們?yōu)榱苏乙粔K平地是費(fèi)盡了腦汁。但是我們利用挖出來的土填到另外一個坑里頭,，就形成了兩片洼地,，其中一片是一萬多平方，那我們作為未來拼裝場地,，所有的重要設(shè)備包括焊接都是在這個場地進(jìn)行的,。然后另外一個場地，就是圖的下邊那一塊場地,，就為工人提供住宿的一個場地,，可以說這是沒有條件創(chuàng)造條件。

然后我們整個的像一些它的基礎(chǔ)工程都是人工挖孔樁,，都是人工挖出來的，因為它那個臺址條件非常差,，大型設(shè)備沒法進(jìn)場,，都是采用人工挖孔的形式，就一米一米的往下挖,。

最深的人工挖孔大概將近40米,，也就是人在下面作業(yè)的時候，連呼吸都是很困難的,，而且井上作業(yè)人員和井下的作業(yè)人員要非常高的信任度,，因為你掉一個石子下去都可能會造成人員的傷亡。

可以看一下,，我們這現(xiàn)場有一些彎彎曲曲的小隧道,，那個就是我們的排水系統(tǒng)。為什么要把它做成彎彎曲曲的呢,？就是因為這個臺址的匯水面積太大了,，我們希望不同區(qū)域的雨水在不同時間流到這個坑的中間，這樣也起到錯峰的效應(yīng),，減輕排水的壓力,。

天眼的“視網(wǎng)膜”

然后可以把反射面喻為我們整個天眼的視網(wǎng)膜，因為這個索網(wǎng)是由6000多個鋼索編織而成,，掛在一個500米直徑的環(huán)梁上,，4450塊反射面單元掛在索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)上,，每個主索節(jié)點(diǎn)下面都會設(shè)置一根下拉索，那它會連帶我們固定地面上的一個促動器,，就是這個黃色的一個裝置,，那通過這個促動器的控制就可以改變索網(wǎng)的形狀。

這個促動器的行程大概是一米左右,，那我們這個剖面跟球面之間的差距也是在一米的范圍以內(nèi),，而且每個主索節(jié)點(diǎn)上，我們都會設(shè)置一個節(jié)點(diǎn)靶標(biāo),，就右邊這個黃色的一個靶標(biāo),。

我們反射面內(nèi)部還做20多個測量基準(zhǔn)站，每個基準(zhǔn)站上會布置一臺激光全站儀,，通過這個全站儀測距和測角,，我們就可以對主索節(jié)點(diǎn)上的靶標(biāo)進(jìn)行精確定位，那我們一次測量一千多個點(diǎn)的話,，大概需要十分鐘左右的時間,，然后測量精度要求到兩毫米左右。

如果你晚上拿著手機(jī)站在我們反射面中間,，開了閃光燈去拍張照的話,，它的效果就是我身后這張圖，你看到星星點(diǎn)點(diǎn)的就是你手機(jī)的閃光燈發(fā)出的光原路返回的,，所有的節(jié)點(diǎn)的靶標(biāo)不管你從任何方向照過去,，它都會原路返回，所以這是非常漂亮的一個效果,。

天眼的“瞳孔”

那如果再找一個形象比喻我們饋源支撐,，那就是天眼的瞳孔，也就是我們饋源支撐系統(tǒng),。饋源支撐系統(tǒng)里面有一個饋源艙,，它的艙里面放著接收機(jī)，反射面會把巨大面積的信號匯聚到一點(diǎn),，就匯到接收機(jī)這里去,。

為了實現(xiàn)接收機(jī)到精確的位置的話，我們需要幾個重要的部件,，一個就是六座百米高的鐵塔,，然后還有六套索驅(qū)動系統(tǒng)，包括一個30噸重的饋源艙,。

通過這些東西就可以把我們饋源接收機(jī)系統(tǒng)控到精確的位置,，你看上面是由六根索控制的，一個饋源艙,，然后艙內(nèi)部還有AB軸和Stewart的平臺,，它們一方面可以消除風(fēng)的擾動,，另一方面可以實現(xiàn)二次精調(diào)的定位。

三項世界第一

然后我們這項工程有些還是有很難的地方,，就是最重要的一個代表性就是我們索網(wǎng)工程,，用一句話來概括這索網(wǎng)工程它有三大的特點(diǎn)，第一個它是超大跨度,，然后超高精度的,，主動變位式的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

對于一項工程來講,，如果你能有一項世界第一,，你就覺得它很難了，但是我們是集了三項世界第一,，你就知道它的難度有多大,。那其實它最重要的一個難點(diǎn)，就是它的疲勞性能的要求,，這個索網(wǎng)不同于傳統(tǒng)的索網(wǎng),，傳統(tǒng)的索網(wǎng)掛在天上，再鋪些板,，它只是做承重作用,。但這個索網(wǎng)是要變形用的，所以它對疲勞的性能要求非常高,。它要求的疲勞性能是傳統(tǒng)規(guī)范的兩倍還要多,，那我們?yōu)榱搜兄七@種鋼索是費(fèi)盡了心機(jī)，我們是經(jīng)歷了近百次的失敗,，在索網(wǎng)的各個工藝包括錨固工藝、扭制工藝,、涂層工藝全方位進(jìn)行改進(jìn),，最后歷時兩年，才研制出了這樣的一個鋼索結(jié)構(gòu),。

還有一個特點(diǎn),，它的制作精度要求也非常高，每個鋼索的加工精度要求達(dá)到一毫米,，那是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提高一個數(shù)量級,，那就意味著我們要做很多特殊的設(shè)計。比如我們鋼索要在恒溫間進(jìn)行加工,，溫度要保持在20℃±0.5℃,，在這樣一個恒溫間進(jìn)行加工就可以消除溫度變形的影響。同時每根鋼索要在待載條件下測量長度,，比如說它在實際工況下受載是95噸,，那就拉到95噸再測量它的長度,，而不是說放松的這種測量，這樣可以消除彈性模量的影響,。

另外,，它的安裝難度非常大。我們現(xiàn)場的條件非?？量?，很多設(shè)備是沒法進(jìn)場的，所以這空中索網(wǎng)編織是一根一根拼上去的,，6000多個鋼索一根根拼,，可以想象它的工作量多大，而且這些鋼索最重要的特點(diǎn)就是每個索的規(guī)格都不一樣,，長度不一樣,，加工的載荷不一樣，截面尺寸也不一樣,，如果這些索你裝錯了一根,，哪怕那個節(jié)點(diǎn)盤的方向換一個方向，這個索網(wǎng)可能就成不了型,，也就是說這個工程就失敗了,。所以我們在每個主索上都要打上二維碼的標(biāo)簽，到現(xiàn)場要刷二維碼保證它的安裝的正確性,。

是在這樣一個復(fù)雜工藝上,，我們最后再把這個索網(wǎng)精確成型，我們現(xiàn)場所有的安裝工藝都是針對FAST工程特殊設(shè)計的,。它利用自己結(jié)構(gòu)本身作為路徑運(yùn)輸結(jié)構(gòu)樣,，然后進(jìn)行推移、滑移,、推移進(jìn)行安裝,、焊接，所有的工藝都非常特殊,，像這些施工方法都是作為國家工法進(jìn)行設(shè)計,。

一公里地鐵的造價造就的超級工程

項目是在去年（2016年）的9月25號實現(xiàn)落成啟用的，我們總共項目投資大概是11.8個億,，也就相當(dāng)于一公里地鐵的一個造價,，然而我們卻用它造就了一個超級工程，我們這個項目是把中國的射電望遠(yuǎn)鏡第一次提到世界的前列,，我們可以保持10年至20年世界的領(lǐng)先,。

這個是望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)在的狀況是，如果現(xiàn)在你去現(xiàn)場，在觀景臺上看這個望遠(yuǎn)鏡,，它就是這個情況,，它是一個500米口徑的一個射電望遠(yuǎn)鏡。

不能讓“瞳孔”掉下來砸壞眼睛

因為望遠(yuǎn)鏡建成了就要進(jìn)入調(diào)試階段了,，調(diào)試難度也是非常大的,，它不像傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的控制非常簡單，一個俯仰軸,，一個自旋軸,，它控制起來是二維的。但是我們望遠(yuǎn)鏡涉及到大量運(yùn)動部件的構(gòu)造,，包括2000多臺促動器,，6套索驅(qū)動，包括二次精調(diào)平臺和AB軸等等,，這些控制只要有一個部件出現(xiàn)問題了,，望遠(yuǎn)鏡可能就無法正常工作。而且我們要在500米尺度范圍內(nèi)達(dá)到毫米級的精度,，你可以想象這個難度有多大,。

以饋源支撐的調(diào)試為例，饋源支撐就分為五個子系統(tǒng),，子系統(tǒng)是由五家單位完成的,，每家單位只負(fù)責(zé)完成自己的任務(wù)，我們的任務(wù)就要把這個系統(tǒng)集成起來,，把它做成一個整體的控制系統(tǒng),，并要考慮到每一步環(huán)節(jié)的安全和足夠的安全措施。

30噸重的饋源艙在一百多米的高空中如果是掉下來了,，或出現(xiàn)什么問題了,，我們這個望遠(yuǎn)鏡就毀于一旦了，這個團(tuán)隊20多年的心血也就付之東流了,，所以我們制定了非常嚴(yán)格的一個安全保障措施,，保證每一個環(huán)節(jié)都不能出問題，保證望遠(yuǎn)鏡的正常調(diào)試,。

這個饋源支撐系統(tǒng)調(diào)試分兩級,，第一級是通過六根幾百米的鋼索把饋源艙定位,，第一次定位要在48毫米以內(nèi),，然后更高級的定位就是上面那個動圖要靠AB軸和Stewart平臺，把接收機(jī)定位到十毫米以內(nèi),，一方面可以實現(xiàn)高精度定位,，同時還可以抵抗風(fēng)的擾動，如果有風(fēng)吹的時候，平臺上面是晃動的,，但是它底下的位置是非常固定的,，可以保證接收機(jī)非常穩(wěn)定的在焦點(diǎn)的位置接收我們的電磁波信號。

這樣一個工程在140米的高空600米尺度范圍內(nèi),，用六根繩子把它們控制在這樣的精度,，在做成之前我覺得可能沒有人會告訴你這事行或者不行。

望遠(yuǎn)鏡調(diào)試的里程碑

但很幸運(yùn)的是我們今年（2017年）8月17號,，第一次就把整個饋源支撐系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功,，我們整個跟蹤了30分鐘，精調(diào)平臺的精確定位,，達(dá)到RMS5.4毫米,，所以已經(jīng)滿足我們現(xiàn)場的使用要求。

這是它的姿態(tài)角的控制,，我們都可以控制到我們想要的范圍之內(nèi),。

同時我們對反射面和饋源指向的精度也做了進(jìn)一步調(diào)試，逐步地把望遠(yuǎn)鏡的波速形狀由以前不太理想的狀態(tài)調(diào)到理想狀態(tài),。

但隨后我們就會有一些科學(xué)產(chǎn)出,，大家可能已經(jīng)知道了，我們首批認(rèn)證了六顆脈沖星,，就是通過這個望遠(yuǎn)鏡來發(fā)現(xiàn)了六顆脈沖星,，對于一個已知的脈沖星進(jìn)行觀測，我們對其他望遠(yuǎn)鏡也是有明顯的靈敏度優(yōu)勢的,，它已經(jīng)是一個世界上非常強(qiáng)有力的一個望遠(yuǎn)鏡,。

我們還做一些譜線的觀測，宇宙的歷史是由微弱的21厘米譜線進(jìn)行書寫的,，對這些譜線進(jìn)行觀測也是射電望遠(yuǎn)鏡的一個重要的性能,，現(xiàn)在我們已經(jīng)開始做這方面的工作了，而且這些校驗的工作跟其它望遠(yuǎn)鏡都對比過,，它的靈敏度包括各方面都是沒有問題的,。

我們在今年（2017年）8月27號，第一次對一個固定的射電源,，進(jìn)行了天體的跟蹤,，我們跟蹤了40分鐘可以穩(wěn)定地獲得低頻和高頻的信號，第一次把望遠(yuǎn)鏡整體的反射面和饋源支撐同時聯(lián)動,，對天體目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,，這樣就實現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡最重要的一個功能，就是跟蹤的功能,。

這個功能實現(xiàn)之后,，對整個望遠(yuǎn)鏡調(diào)試來說是具有里程碑意義的,，也意味著我們的望遠(yuǎn)鏡的功能性調(diào)試基本實現(xiàn)了。

未來的天眼

我們這個望遠(yuǎn)鏡,，還有很多其他的一些用途,，像一些VLBI網(wǎng)，它可以做一些深空的成圖包括深空探測,，它能把我們深空探測和通訊能力提升到太陽系的邊緣,，同時還可以做非相干散射雷達(dá)接收系統(tǒng)，包括做一些主動雷達(dá)接收系統(tǒng),，可能將來有能力會探測到毫米級的一個碎片,。

希望我們在未來幾年內(nèi)能把它調(diào)試好、運(yùn)行好,，能產(chǎn)生世界級的科研成果,，這樣我們也可以回饋公眾，也向國家有個交代,。謝謝,！