中国500米射电望远镜FAST实现技术创新尚待时日

中国500米射电望远镜FAST实现技术创新尚待时日

撰文 Dennis Normile   翻译 颜南晋   校对魏关

　　要让中国这架超巨型射电望远镜真正做到不负其承诺的使命，尚需再迸发一轮新颖独特的创造力。

—— Dennis Normile 于大窝凼

　　在中国大西南延绵参差的石灰岩崇山峻岭中，有一处撼人心魄、宏伟壮观的地势景象，工程人员们忙碌着，一座巨大的天文仪器设施的建造正步入最后的收官之战（FAST于今年9月25日举行竣工典礼，本文发表于9月30日- 编者注）：一个直径500米的天线面板盘镶嵌在自然形成的洼谷之中，将用于采集来自宇宙空间的射电信号（也称为无线电信号）。这一世界上最大的（单天线）射电望远镜将搜集和编目（射电）脉冲星，探测引力波（这里指的是，利用质量足够好且数目足够多的毫秒脉冲星来发现宇宙间的背景引力波或持续探测来自特殊固定源的引力波，与LIGO团队报告的质量相对小的双黑洞并和事件不同。目前国际上有若干家尝试多年，与理论期待不符，尚无突破 - 译者注）、暗物质和快速射电暴，并倾听来自外星文明的无线电波通讯（虽然许多中外媒体常提此事来吸引大众，但毕竟目前没有任何蛛丝马迹。若顺带做希冀意外，不妨试试，请有闲有钱之人来自己分析数据。另，FAST更不会去找所谓的UFO，即不明飞行物。如此昂贵的FAST主要用来从事天文物理科学的前沿观测探索研究- 译者注）。

　　窥一斑而知全豹的射电天文学（FAST作为个体固然最大，然而却是八十多年来国际射电天文学发展过程中众多射电天文望远镜里的一个。下面5张生动形象的图例展示具体地放大了FAST的若干重要技术细节，特色鲜明且通俗易懂地介绍解释了FAST的基本工作原理，希望读者们能对射电天文望远镜总体有一个大致清晰的概念 - 译者注）

图例1. 世界上最大的（单天线）射电望远镜，中国最新的500米口径球面射电望远镜（FAST），将收集寰宇中的射电信号，用于编目脉冲星，并探测引力波、暗物质和快速射电暴，以及倾听来自地外文明传送的电波信号。（图片来源：C. Bickel/Science）

　　然而，这一精巧杰作的设计建筑师却对于他的望远镜究竟可能捕获到什么表示厌倦乏味。“抱歉地说，我对科学其实不太感兴趣”，南仁东如是说。而他正是这500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，以下简称FAST）的首席科学家和首席工程师。同事们坚持认为南仁东是在开玩笑，但毫无疑问，的确是工程建设（而非科学研究）耗费了他一生中二十年的精力，也正是该工程建设令其他天文学家惊叹佩服。佛吉尼亚州夏洛茨维尔的美国国家射电天文台（U.S. National Radio Astronomy Observatory，以下简称NRAO）前台长鲁国镛（Fred Lo）评论称：“作为一项土木工程之建设成就，FAST显然是令人惊奇不已的”。

　　FAST的（单个）天线面板口径冠绝全球——位居第二的是地处波多黎各（Puerto Rico）的阿雷西博（Arecibo）射电望远镜，其天线面板直径305米，信号采集面积不到FAST的一半。不止于此，FAST的设计也独辟蹊径，为射电天文开创了新的天地：它要将巨大球形面板的一部分（该整体球形天线镜面由众多面形微曲的三角形面板拼接组成- 译者注）拖拽成一个逐渐运动的抛物面，用以应对地球自身的旋转（宇宙间的射电源犹如日月一样在不同的高度上东起西落，其位置因地球自转而不断变化- 译者注），瞄准并跟踪宇宙中的物体；这样的好处是给一个原本固定不动的天线面板增添了其部分能倾斜旋转的天线功能。在悉尼的澳大利亚联邦科学和工业研究组织（Australia's Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation，以下简称CSIRO）的一位射电天文学家迪克·曼切斯特（Dick Manchester）说，这项技术创新“绝对是独一无二的，之前谁也没有这样干过”。

　　

　　口径越大就是越好

图例2. 比起世界第二大的射电望远镜-即在波多黎各的阿雷西博天文台的，FAST的接收面积是其两倍还多。因而，FAST可以研究更微弱和更遥远的天体。（图片来源：C. Bickel/Science)

　　南仁东现在不急着为科学操心还有另一个原因。尽管2016年9月25日各级政要官员已云集于贵州高规格庆贺FAST竣工，望远镜依然没能按计划工作。南仁东正在集中精力解决近期才暴露的一个技术故障，天线镜面变形功能受挫，使得早期科学应用受到限制。他说，要让FAST真正兑现其科学目标承诺，“我们还有许多事情要做”。

　　鲁国镛说：“毫不夸张地说，南仁东自始至终都是FAST的主要驱动力”。上世纪60年代中期，南仁东在北京的清华大学接受本科教育，学习超高频电子学，他的工程癖好自那时养成。在中国动乱的文化大革命期间，他在一家电子厂工作了十年，然后重返学术界，在合肥的中国科学技术大学获得了天文和天体物理博士学位。

　　酝酿建造FAST的想法由来已久，从上世纪九十年代就开始了。那时，南仁东作为中国代表团成员参加了一个国际工作组，该工作组最终提议将平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometre Array，以下简称SKA）定为下一代射电望远镜。天文学家们一直指望着（射电）干涉技术有所进展，能合并几十甚至几百台天线面板收集的信号，这样就可以拼接一个采集面积远远大于现有规模的射电望远镜。在早期规划时，中国曾经竞争主办SKA，拟在遍布中国西南诸省的石灰岩洼地中建设若干个大型镜面天线望远镜，中国天文学家们甚至做了FAST的初步准备工作，作为SKA望远镜的原型。

　　然而，SKA的支持者们最终选择了另一套设计方案，其特色是由几千枚小型天线组成阵列。2006年，中国未能进入SKA候选地址的名单之中；SKA的第一期建设预计将于2018年在南非和澳大利亚破土动工。虽然隐忍着失望，南仁东和他的同事们义无反顾地推动着中国建造FAST的进程（《科学》2009年6月19日,1508页）。

　　天文学家李菂说，在观测如中子星这样的点源方面，以及搜寻地外文明进行多频率扫描方面，单天线面板更有优势。李菂是FAST项目的科学家，曾在加利福尼亚州帕萨蒂娜的美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）工作过。CSIRO的一位天文学家乔治·郝布斯（George Hobbs）说，比起望远镜阵列中的众多天线面板来，单天线面板还有一个优势，那就是“造价相对低廉，且更容易直接升级”，“你只管不断制造质量更好的接收机就行”。

　　

　　作为一个嗜好工程的天文学家，南仁东领导了该射电望远镜大部分早期工作，并且是该项目的首席科学家和首席工程师。（图片来源：中国科学院 国家天文台)

　　FAST获得国际评审委员会批准支持后，中国国家发展和改革委员会（发改委）于2007年提供了9千万美元的经费来启动该项目；来自其它相关机构的资助把经费总额提升至1.8亿美元。南仁东一直领导着FAST的大部分准备工作，并于2008年被指定为首席科学家和首席工程师。“按照传统惯例，这是两份工作”，李菂称，但是南仁东的实践经验和所受的科学训练可以让他“同时戴着工程和科学的两顶帽子”与资助机构沟通。

　　应该在哪儿建造这天线面板，南仁东心中早已有数，也深知这件事非同小可。早在上世纪九十年代，卫星勘测已经在中国西南诸省识别出了400个候选（喀斯特）洼地。这个数目不断缩减，最后，南仁东亲自考察了一部分候选洼地。他回忆起当时徒步跋涉到大窝凼洼地的情景，抬头望向四周，整个天空几乎呈一个圆形视野区，“就像位于一口井的底部一样”。

　　

完美嵌合

图例3. FAST的规划人员在中国西南部调研了大约400个喀斯特洼地，最终选定大窝凼，它犹如摇篮恰好能支架吊装望远镜巨大的球形天线面板。（图片来源：C. Bickel/Science)

　　南仁东说：“这个地点是安装FAST的绝佳位置，（但是）建设条件恶劣无比”。大窝凼距最近的高速公路要好几个小时，狭窄的道路颠簸崎岖，在高峰和小村落中蜿蜒穿插。为了连接洼地和最近的县城，FAST施工队修筑了7公里的道路。因为难于接近洼地，重型装备的使用也受到限制。“几乎所有的事情都是人工徒手劳作”，南仁东说，“竭尽全力的工人”在40摄氏度的高温下肩扛手提运送了100公斤的物资。相比之下，他说，“在北京或上海建设一座桥梁，那真是小菜一碟”。

一个工人走在环绕望远镜天线面板的巨大圈梁桁架上。（图片来源：新华社/Alamy Stock)　　

　　FAST团队以阿雷西博望远镜为基础建模。两个大型望远镜都建在喀斯特洼地上，如林间吊床般由钢缆索网支撑，索网则悬挂固定在石灰岩顶上。与阿雷西博天文台一样，FAST也采用了非同寻常的方式来聚焦入射的无线电波。

　　典型的射电望远镜的天线镜面是抛物面，因为抛物面形状可以将天文目标发射出的波聚焦在天线面板上方的一个点（即所谓的焦点 - 译者注），该点位于抛物面的轴上。望远镜的接收机或次级反射镜面就置于该点。但是，抛物面式的望远镜必须是能够操控指向的，它需要应对地球自身的转动来指向并跟踪特定的天文目标。这是因为当目标源不在抛物面轴上时，天线镜面反射的无线电波会变形失真。

　　阿雷西博和FAST望远镜面的总方向是完全不可能操控的，因为它们巨大的天线镜面是固定在地面上的。所以二者的形状都是球面，这样它们可以采到并集中偏轴源射来的波但并不聚焦在轴上某一点。阿雷西博望远镜通过移动接收机平台来捕获主镜反射过来的波，从而瞄准宇宙物体。其接收机平台内部有一整套复杂的镜面系统，可以将收集来的无线电波聚焦。不过，这种方式限制了可观测的天区：仅能观测在距离天顶20度之内的范围。角度上离天顶再远的话，波的变形就会太大了。而且，整个校正系统导致接收机平台重达900吨。曼切斯特承认：“阿雷西博望远镜的镜面系统和整个平台是非常大的，若要用在FAST上，就将巨大无比，而且太沉重了。”

　　然而，南仁东和他的团队设计了一套系统，能把FAST球面反射镜上的大约300米直径的部分拉成一个巧妙的抛物面，同时将接收机置于抛物面的轴上（见下图）。李菂说：“这就像在大锅里形成一个小碗。”该抛物面的位置能够实时移动，确保随着地球旋转，它的轴总是指向感兴趣的宇宙物体，犹如一个可以操控方向的射电望远镜。FAST最多可观测到偏离天顶40度以内的天区。此外，它不需要一套复杂的校正机制，故其接收机平台可配备的仪器比阿雷西博平台更多。

　　

　　锅中之碗

图例4. FAST系统可将其球面反射镜上大至300米直径的部分拉拽调整为抛物面，从而使宇宙射电波聚焦在接收机处，此乃FAST独树一帜的标志性创新。一旦能根除现有故障，该抛物面的位置就能够随时随刻移动，实时克服地球旋转始终跟踪天文目标。（图片来源：C. Bickel/Science)

　　曼切斯特评论说，制造这样一个主动变形的反射面“是一个大胆的方案”。为了使反射镜面改变形状，FAST配装有2225个促动器——实质上是高技术水准的绞车——锚定在天线面板之下的岩石上。这些促动器拉拽钢缆，而起束缚作用的钢缆连接着支撑天线镜面的索网，从而把一部分反射面拽曳调整为抛物面。当促动器松弛钢缆后，索网自然回弹，反射镜面恢复为球面。穿透过天线面板，有许多凸出的小型基墩，其上安装的激光器能监测天线面板上1000个点的坐标，用以精细调节天线反射面的形状。

　　

图例5. 精调射电面盘：

   为了使天线反射镜面变形和产生这“锅中之碗”的效应，FAST用2225个促动器——实质上是高技术水准的绞车——锚定在天线组合面板之下的岩石里。这球形天线面板是由4450枚（表面具有特定微曲）三角形反射面板拼接组合而成的。抛物面变形部分直径若为300米，则可调整聚焦距离天顶26度的目标物；若是相对小的抛物面直径，则可以在天区中观测到距离天顶最远到40度。轻微拽曳（左下小图）：这些促动器拉拽钢缆，而起束缚作用的钢缆连接着支撑天线镜面的索网，进而将部分反射面调整成抛物面。拉拽幅度最大可达47厘米。当促动器减小拉力松弛钢缆时，支撑索网的自然弹性使其恢复成为球面。（support grid：支撑网络系统；tripyramid back frame support：三角背架支撑；reflector panel：反射镜面的组成面板；light- and corrosion- resistant aluminum construction：耐光，耐腐蚀的铝结构；actuator 促动器）（图片来源：C. Bickel/Science)

　　为了让整个系统运作起来，工程师们克服了一系列挑战。就启动装置而言，这些促动器产生的射电干扰“比来自天上的信号还要强好多倍”，南仁东说。没有合适的商用屏蔽装置，他们就自己动手研发。

　　在工程建设上马之前的最后一轮设计评审过程中，人们意识到了另一个问题：反复绷紧和松弛普通钢缆可导致钢缆疲劳断裂。就像你反复弯曲回形针，金属丝就会断裂一样。工程人员很晚才发现这个钢缆疲劳问题，但FAST团队还是解决了它。他们使用中国人研制的抗疲劳缆，其能承受2百万次应力变化周期，远远超过了FAST望远镜 30年设计寿命期所要求的30万次应力变化周期。

　　2016年1月， 4450枚用于组装天线镜面的三角形反射面板已经基本到位，但尚无任何接收机可以使用，南仁东让施工队伍草草拼凑了一根细长鱼骨状的电视天线悬挂在天线镜面之上。虽然这个射电接收机相当原始简陋，但FAST巨大的采集面积仍能够使其捕获来自蟹状星云脉冲星的信号，该射电源位于蟹状星云中心。CSIRO的郝布斯表示：“他们居然能用一根简单的天线干这事儿，着实令人惊异”。

　　对南仁东来说，这次测验则是FAST迎来的破晓之光——最初的科学观测开启了这台望远镜的工作生涯。南仁东聚焦蟹状星云使中国最早的天文观测对象之一成了最近的观测对象之一：一千多年前（准确地说，应当是九百多年前，即公元一零五四年 - 译者注），宋朝的天象观测者注意到一颗转瞬即逝的“客星”，后来人们确认，那是一颗超新星，而正是这颗超新星的爆发产生了蟹状星云。

　　FAST天线镜面的建设进入终点直道最后一程时又节外生枝。“促动器的损坏率高于正常预期值”，李菂说。团队正在调查故障原因，寻找可能的修理方案。

　　降恩·傅德（John Ford）表示，让一个大型望远镜的所有功能全方位正常工作永远是一个挑战。傅德此前在西弗吉尼亚州美国国家射电天文台（NRAO）的绿岸（Green Bank）望远镜工作，负责其电子系统。绿岸的100米望远镜的可操控天线镜面上装有促动器来调整和消除重力变形效应。由于总有水渗漏结冰，这些促动器“持续损坏，远远超过我们预想的程度”，傅德说。促动器的防水问题令人头疼，因为它们位于100米高空中。他说，FAST工程师们的日子应该会好过一些，因为他们的促动器在地面上就能够接触得到。

　　李菂说，目前，FAST的操作人员将用还能工作的促动器来控制部分反射面以形成一个抛物面，令其指向天空，跟随地球自转来捕获任何可能的信号。用这种漂移式扫描，需要200天才能观测搜巡整个北天。现在已知的（射电）脉冲星大约有2500颗，他期待他们能够再发现1000来颗。这些脉冲星犹如无线电灯塔，由旋转的中子星来提供能源，周期性发出无线电波脉冲信号，天文学家利用这些射电灯塔来研究星际间介质，以及探测引力波。李菂声称：“我们将开展世界上最好的脉冲星巡天。”

　　FAST项目的一位天文学家朱明发誓说：“最终，我们一定让望远镜完美地工作。”曼切斯特表示同意：“他们距取得卓越成就非常接近了。”

　　原文刊于 Science,30 Sep 2016:Vol. 353, Issue 6307, pp. 1488-1491. DOI:10.1126/science.353.6307.1488.原题为“The Biggest Ear”.

发现地外文明的线索指日可待！

中国科学院国家天文台（NAOC）与“突破计划”（Breakthrough Initiatives）10月12日签署合作意向。国家天文台台长严俊和突破奖基金会主席及“突破计划”执行主任Pete Worden代表双方分别签字。

    根据合作意向，国家天文台500米口径球面射电望远镜FAST将加入“突破聆听”（Breakthrough Listen）项目，与位于美国的绿岸望远镜及位于澳大利亚的Parkes天文台共同合作，寻找地球以外智慧生命的线索。双方将有可能交换观测计划、探测方法和数据，并快速进行跟踪观测及数据分析。

　　FAST位于中国贵州省，于2016年9月正式启用。作为全世界最大的单天线射电望远镜，FAST在低频射电波段上极高的灵敏度对于“突破聆听”项目有着重要意义。“突破聆听”项目于2015年7月启动，是人类迄今为止规模最大的有关智慧生命的天文搜索项目；项目旨在探索宇宙，寻找地外生命的科学依据。“突破聆听”项目的参与进一步丰富了FAST相关的科学内容，也是对FAST探测能力和发展前景的认可。

　　突破奖基金会出资人Yuri Milner博士及运行部主任Leonid Solovyev博士参加了签字仪式。国家天文台FAST项目首席工程师和首席科学家南仁东研究员，及FAST团队李菂、彭勃、朱明、张海燕研究员及段然博士，并国家天文台毛淑德研究员、苟利军研究员、梁艳春处长等也参加了签字仪式。仪式之后，Pete Worden博士在国台做了精彩报告，详细介绍了“突破计划”和“突破聆听”项目，并对双方即将开展卓有成效的合作进行了展望。

　　合作签署仪式合影

　　合作协议签署仪式后，Pete Worden教授作报告介绍“突破计划”并回答听众提问