世界最大最灵敏单口径射电望远镜——
“中国天眼”，聆听宇宙的声音
2021年3月31日，“五百米口径球形射电望远镜(FAST)”正式向全世界天文学家开放。什么是“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”？是中国探索宇宙的具有自主知识产权的单孔径球形射电望远镜。有了它，我们可以促进对宇宙深层空间的认识和探索，为天文学的发展提供新的可能性。
五百米口径球形射电望远镜(FAST)有多大？直径500米，发射区相当于30个标准足球场。如果装满矿泉水，全世界70亿人平均可以分享4瓶。它能看多远？能看透130多亿光年，接近宇宙边缘。目前，“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”是世界上最大、灵敏度最高的单口径射电望远镜。
借鉴抛物面天线原理，从地球聆听来自宇宙的信号
“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”的学名是500米射电望远镜。与通过可见光进行观察的普通光学望远镜不同，射电望远镜通过接收宇宙中不可见的无线电波来“观察”宇宙。我们上方厚厚的大气层有两个“窗口”:一个是可见光窗口，人类通过它观察了几千年的宇宙；一个是广播窗口。20世纪30年代，射电天文学的先驱卡尔扬斯基偶然发现了来自银河系中心的信号，揭开了射电天文学的帷幕，促进了人类对宇宙和生命起源的认识。
“五百米口径球形射电望远镜(FAST)”是当今射电天文学的“重型武器”。它的基本原理是什么？众所周知，平行电磁波遇到抛物反射后会汇聚到焦点。对于射电望远镜来说，通过将反射面做成抛物面形状，并在焦点位置放置一个接收器，可以收集天体发出的电磁波信号，用于天文观测。抛物面面积越大，采集到的信号越多，能探测到的物体越暗淡，距离越远。因此，自从卡尔.扬斯基意外发现射电天文观测窗口以来，世界各地的天文学家一直在努力建造具有尽可能大的反射面的巨型射电望远镜。
同时，随着人类对无线电的大规模使用，产生了越来越多的无线电波，干扰了人类对空间信号的接收。在1993年的国际射电会议上，包括中国在内的许多国家提出了一项倡议，希望在地球电磁波环境被破坏之前建造一个超大型射电望远镜。次年，以南任栋先生为代表的中国科学家开始了“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”的探索，开始了“化不可能为可能”的征程。
难度大、突破多，“中国天眼”在灵敏度上占据制高点
望远镜能造多大，要看最后发现的凹陷有多大。合适的抑郁症很难找到，因为它必须同时满足四个条件。首先要足够大，足够圆，否则开挖和支护的费用会让这个工程无法进行；其次，要远离人口密集地区，以保证良好的电波环境；还是那句话，不能积水，否则设备寿命难以保证；最后，需要优良的地质条件，否则无法建造大规模、高精度的天文观测设备。
从1994年到2006年，南带领团队从8000多张地图中选择了300多个坑洼，并进一步将范围缩小到几十个。该团队几乎走遍了所有这些洼地，进行实地调查并在风中露宿。最后，该站位于贵州省平塘县科都镇大佛堂洼地。
站点确定后，在如何设计、如何实现、完成后如何调试、使用等方面都没有现成的经验可供参考：关键技术没有先例，关键材料需要从头开发。
“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”的设计与世界上现有的单目射电望远镜不同，首先体现在“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”是指反射面；“小学生”指的是饲料
作为世界第一，五百米口径球面射电望远镜(FAST)的视网膜是一个主动反射面，可以改变形状，一个是球面，一个是抛物面。具体来说，这个巨大的可移动的“视网膜”是由6670根钢索组成的索网，挂在50根巨大钢柱支撑的直径500米的圈梁上；电缆网上有4450件和380多种反射面单元；电缆网下有2225根引下线，每根都固定在地面的执行机构上。通过操作执行机构和拉下缆绳来改变缆绳网的形状，从而可以收集和观察天文信号。
“五百米口径球面射电望远镜(FAST)”的“瞳孔”，即馈源舱，也是一个大胆的突破性设计。大多数传统射电望远镜的“瞳孔”位置是固定的或者只能微调。“五百米口径球形射电望远镜(FAST)”则完全不同，采用全新的光缆驱动控制系统，使“五百米口径球形射电望远镜(FAST)”的“瞳孔”可以自由改变角度和位置，更有效地收集、跟踪和监测更丰富的宇宙电磁波。
就体积而言，前世界最大射电望远镜的馈源舱重1000多吨，而五百米孔径球形射电望远镜(FAST)的馈源舱仅重30吨左右。小尺寸带来许多优点，例如有效地减少光路阻塞和减少干扰信号
而让波束非常干净，更有利于天文观测。“中国天眼”在设计上的突破创新，为“从图纸到现实”的制造带来巨大挑战。而应对挑战的过程，也正是国产精准制造不断创造奇迹的过程。比如，要实现反射面（即索网）可改变形状这个世界首创设计，要求构成索网的钢索像弹簧一样有一定伸缩性，疲劳强度是现有标准的两倍多，国际上未有先例；还要求每根钢索的加工精度要达到1毫米，把传统标准提升了一个数量级。
两年来，科学家们持续全方位地改进索体工艺，一根钢索要进行200万次疲劳实验。经历了近百次的失败后，最终成功解决了这个关键问题，实现了3项世界创举：超大跨度、超高精度、主动变位式的索网结构。
建设完成之后，“中国天眼”进入调试阶段。巨型望远镜调试涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科，是强交叉学科的应用性研究，国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。“中国天眼”开创了新模式，其调试工作也更具挑战性。
截至目前，已经实现跟踪、漂移、运动扫描、编织扫描等，提前完成功能性调试。在性能调试方面，“中国天眼”直径500米，却要实现毫米级的精度，难度相当大。当前，望远镜测量基准网的精度已提升至1毫米以内，其中，灵敏度水平是世界第二大望远镜的2.5倍，这是中国建造的望远镜第一次在灵敏度这个参数上占据制高点。另外，19波束已经完成安装，其意义也非常重大：可将望远镜视场扩大至原来的19倍，大幅提升望远镜的巡天效率。
“中国天眼”专利技术被运用于多个领域，持续孵化科学新成果
“中国天眼”团队敢想敢做，难度大、挑战大，其设计、建造的过程既是攻坚克难的过程，也是创新性成果相继产生的过程。许多具有我国自主知识产权的专利技术相继诞生并得到应用。比如，超高疲劳性能钢索结构被应用于大型体育场馆，高精度索结构生产体系被应用于港珠澳大桥等建设。
在整个制造、安装过程中还产生了许多国家级、省级工法。比如，在为“中国天眼”铺设“视网膜”过程中，4450块反射单元、6670根钢索、上万个关节轴承，都是工人们在几十米高空一块块、一根根、一个个拼装完成的，容错率为零。这些复杂工法将有助于未来大型复杂项目的精准建造。
可以说，“中国天眼”是一个现代工程奇迹，它凝结了20多个科研机构、上百名科研人员的心血，汇聚了几千名一线工人的汗水。建造条件艰苦，很多人在现场工作几天，身上就会起满红疙瘩。潮湿、阴冷的工棚没有空调或暖气，每个人的被子潮湿得快要挤出水来。常有人说，只有中国才能做成“天眼”，我想，做成“天眼”所依靠的，就是这种永不言弃、众志成城的精神。
2017年10月，“中国天眼”首批科学成果公诸于世。如今，基于“中国天眼”数据发表的高水平论文已有70余篇；所发现的脉冲星数量已超过300颗，是同一时期国际上所有其它望远镜发现数量总和的3倍。为什么发现脉冲星至关重要？脉冲星是正在快速旋转的中子星，密度极高，每立方厘米重达上亿吨。它自身如灯塔一般散射光芒，时时刻刻地扫描着宇宙；它自转速度很快、自转周期精确，堪称宇宙中最精确的时钟。因此，把握脉冲星，有利于建立“宇宙导航系统”，有助于人类在未来实现星际旅行的梦想。
接下来，“中国天眼”将进一步在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿方向加大探索，加强国内外开放共享，推动重大成果产出，勇攀世界科技高峰。我们青年一代科学家也将努力“用”好凝结了中国4代科学家心血的“天眼”，产生更多科研成果，推动人类对宇宙的探索和认知。
（姜鹏 FAST总工程师）
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