中國天眼 (FAST)

中國天眼 (FAST)
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中文名稱：500米口徑球面射電望遠鏡外文名稱：FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope) 接收面積：25萬平方米（相當於30個足球場）邊框：1.5千米地址：貴州省平塘縣克度鎮金科村大窩凼口徑：500m 建成：2016年9月21日工程投資：約6.67億人民幣設施級別：國家重大科技基礎設施總工程師：南仁東（2017年逝世）反射面總面積：約25萬平方米

中國天眼 (FAST)：500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope），簡稱FAST，又被形象的稱作「中國天眼」。是由國家科教領導小組審議確定的國家九大科技基礎設施之一，採用中國科學家獨創設計和我國貴州南部喀斯特窪地的獨特地形條件，建設的一個約30個足球場大小的高靈敏度巨型射電望遠鏡。位於貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮大窩凼的喀斯特窪坑中，「天眼」工程由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。

「中國天眼」由我國天文學家南仁東於1994年提出構想，歷時22年建成，於2016年9月25日落成啟用。是由中國科學院國家天文台主導建設，具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。綜合性能是著名的射電望遠鏡阿雷西博的十倍。

截至2018年9月12日，500米口徑球面射電望遠鏡已發現59顆優質的脈衝星候選體，其中有44顆已被確認為新發現的脈衝星。2019年3月，中國科學院國家天文台FAST總工程師、研究員姜鵬接受專訪時說道，和天馬望遠鏡團隊合作，首次成功實現聯合觀測，這標誌着FAST具備了聯合組網觀測的能力。

截至2019年8月28日，500米口徑球面射電望遠鏡已發現132顆優質的脈衝星候選體，其中有93顆已被確認為新發現的脈衝星。

歷史沿革

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1993年，東京召開的國際無線電科學聯盟大會上，包括中國在內的10國天文學家提出建造新一代射電「大望遠鏡」。他們期望，在全球電信號環境惡化到不可收拾之前，能多收穫一些射電信號。建造FAST的動機肇始於此。

1994年7月，FAST工程概念提出。在這一背景下，原北京天文台提出了利用中國西南部的喀斯特地貌建造阿雷西博型LT的中國方案，最初起名為KARST。

1995年11月，以北京天文台為主，聯合國內20餘家大學和科研機構，組建了「大射電望遠鏡」中國推進委員會，由南仁東研究員任主任。

「創新工程重大項目」立項，並得到中國科學院及科技部的支持。

2001年10月，知識創新工程首批重大項目「FAST預研究」總體驗收。

2007年7月，國家發展和改革委員會批覆500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施立項建議書，原則同意將FAST項目列入國家高技術產業發展項目計劃，FAST工程進入可行性研究階段。

2008年10月，國家發改委批覆500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施項目可行性研究報告，FAST工程進入初步設計階段。

2009年2月，500米口徑球面射電望遠鏡國家重大科技基礎設施初步概算獲得貴州省發改委批覆。

2011年3月，FAST工程開工報告獲得批覆，工程開工項目初步設計和概算獲得中國科學院和貴州省人民政府的批覆。

工程於2011年3月正式開工建設，預計2016年9月竣工，工期5.5年。望遠鏡台址挖掘完工，基地、主動反射面的建造均於2013年內動工。總投資概算為6.67億元。

2015年2月4日上午，位於貴州平塘的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）安裝了最後一根鋼索，索網製造和安裝工程結束。這意味着FAST的支撐框架建設完成，進入了反射面面板拼裝階段。

2015年國慶前夕，隨着長度3.5千米的10千伏高壓線纜通過耐壓測試、變電站設備調試完成，中科院國家天文台500米口徑球面射電望遠鏡（簡稱FAST）項目綜合布線工程完成，具備供電條件，這標誌着「天眼」的神經系統已經成型，FAST工程進入最後的衝刺階段。

2015年11月21日，在貴州黔南安裝建設的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）饋源支撐系統進行首次升艙試驗，6根鋼索拖動饋源艙提升108米，並進行相應的功能性測試。

2016年3月8日，在貴州省平塘縣建設的世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡（FAST），已完成3492塊反射面面板安裝，完成比例達78.47%。2016年4月10日，500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）已完成4185塊反射面面板安裝，完成比例達94.04%。

2016年6月29日，FAST已完成4443塊反射面面板安裝，完成比例達99.8%。

2016年7月3日，500米口徑球面射電望遠鏡的最後一塊反射面單元成功吊裝，這標誌着FAST主體工程順利完工^[1]。

2016年9月25日，在貴州省平塘縣的喀斯特窪坑中落成啟用，開始接收來自宇宙深處的電磁波，「天眼」方圓5公里將成為「靜默區」。

2017年10月，發現2顆新脈衝星，距離地球分別約4100光年和1.6萬光年，是中國射電望遠鏡首次發現脈衝星。

2017年12月，FAST新發現3顆脈衝星，且這3顆脈衝星已分別得到認證。

射電望遠鏡已發現43顆脈衝星原圖鏈接來自搜狐網的圖片

自2016年9月25日落成啟用以來，中國天眼」共發現51顆脈衝星候選體，其中有11顆已被確認為新脈衝星。

2018年4月28日，從中國科學院國家天文台獲悉，「天眼」FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）首次發現毫秒脈衝星並得到國際認證。新發現的脈衝星J0318+0253自轉周期5.19毫秒，根據色散估算距離地球約4000光年，由FAST使用超寬帶接收機進行一小時跟蹤觀測發現，是至今發現的射電流量最弱的高能毫秒脈衝星之一。 [

2018年7月12日，由貴州省科學技術獎勵大會獲悉，500米口徑球面射電望遠鏡已發現43顆脈衝星。

截至2018年9月12日，500米口徑球面射電望遠鏡已發現59顆優質的脈衝星候選體，其中有44顆已被確認為新發現的脈衝星。

截至2019年8月28日，500米口徑球面射電望遠鏡投入使用近三年，現已實現跟蹤、漂移掃描、運動中掃描等多種觀測模式，並且已發現132顆優質的脈衝星候選體，其中有93顆已被確認為新發現的脈衝星。

結構性能

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索網結構是FAST主動反射面的主要支撐結構，是反射面主動變位工作的關鍵點。索網製造與安裝工程也是500米口徑球面射電望遠鏡工程的主要技術難點之一，其關鍵技術問題主要包括：超大跨度索網安裝方案設計、超高疲勞性能鋼索結構研製、超高精度索結構製造工藝等。而索網工程的順利完成，意味着FAST工程已經在上述關鍵技術難點方面實現實質性突破。

FAST索網結構直徑500米，採用短程線網格劃分，並採用間斷設計方式，即主索之間通過節點斷開。索網結構的一些關鍵指標遠高於國內外相關領域的規範要求：例如，主索索段控制精度須達到1毫米以內，主索節點的位置精度須達到5毫米，索構件疲勞強度不得低於500MPa。整個索網共6670根主索、2225個主索節點及相同數量的下拉索。索網總重量約為1300餘噸，主索截面一共有16種規格，截面積介於280—1319平方毫米之間。由於場地條件限制，全部索結構須在高空中進行拼裝。

索網採取主動變位的獨特工作方式, 即根據觀測天體的方位，利用促動器控制下拉索，在500米口徑反射面的不同區域形成直徑為300米的拋物面，以實現天體觀測。

FAST索網是世界上跨度最大、精度最高的索網結構，也是世界上第一個採用變位工作方式的索網體系。其技術難度不言而喻，需要攻克的技術難題貫穿索網的設計、製造及安裝全過程。僅以高應力幅鋼索研製為例，FAST工程對拉索疲勞性能的要求相當於規範規定值的2倍，國內外均沒有可借鑑的經驗或資料作為參考。其研製工作經歷了反覆的「失敗—認識—修改—完善」過程，最終歷時一年半時間才完成技術攻關。所取得的成果已經在國際專家評審會上得到國外專家組的認可，成功在FAST工程上得到應用。隨着索網諸多技術難題的不斷攻克，形成了12項自主創新性的專利成果，其中發明專利7項，這些成果對我國索結構工程水平起到了巨大的提升作用^[2]。

工程概況

500米口徑球面射電望遠鏡利用貴州喀斯特地區的窪坑作為望遠鏡台址，建造世界第一大單口徑射電望遠鏡，其擁有30個標準足球場大的接收面積。FAST作為世界最大的單口徑望遠鏡，將在未來20至30年保持世界一流地位。全新的設計思路，加之得天獨厚的台址優勢，使其突破瞭望遠鏡的百米工程極限，開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式^[3]。

創新

1、利用獨一無二的貴州天然喀斯特窪地台址

2、應用主動反射面技術在地面改正球差

3、輕型索拖動饋源支撐將萬噸平台降至幾十噸

科學目標

1、FAST有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，重現宇宙早期圖像。

2、能用一年時間發現數千顆脈衝星，建立脈衝星計時陣，參與未來脈衝星自主導航和引力波探測。

3、主導國際甚長基線干涉測量網，獲得天體超精細結構。

4、進行高分辨率微波巡視，檢測微弱空間信號。

5、參與地外文明搜尋。

6、參與子午鏈工程，提高非相干散射雷達雙機系統性能。

7、將深空通訊能力延伸至太陽系外緣行星，將衛星數據接收能力提高100倍。

應用目標

1、空間飛行器的測控與通訊

2、脈衝星計時陣和自主導航

3、非相干散射雷達接收系統

4、高分辨率微波巡視

技術指標

1、球反射面：半徑－300m,口徑－500m

2、有效照明口徑：300m

3、焦比：0.467

4、天空覆蓋：天頂角 40°

5、工作頻率：70MHz－3GHz

6、靈敏度(L波段)：2000

系統構成

台址勘察與開挖系統：擬對選定區域的地形、工程地質和水文地質環境等進行工程詳細勘察、對FAST望遠鏡主動反射面整體工程區域土石方進行開挖、以及對窪地排水通道進行設計等。

主動反射面系統：包括一個口徑500米由近萬根鋼索組成的反射面索網主體、反射面單元、促動器裝置、地錨、圈樑等。反射面索網安裝在格構式環形圈樑上，它有2400個連接節點，在索網上安裝4600個反射面單元，2400個節點下方連接下拉索和促動器裝置，促動器再與地錨連接，形成了完整的主動反射面系統，能夠實現實時控制下形成瞬時300米口徑拋物面的功能。

饋源支撐系統：在窪地周邊山峰上建造6個百餘米的支撐塔，安裝公里尺度的鋼索柔性支撐體系及其導索、卷索機構，以實現饋源艙的一級空間位置調整；製造直徑10米左右的饋源艙，在饋源艙內安裝Stewart平台（精調並聯機器人）用於二級調整；製造兩級調整機構之間的轉向機構，輔助調整饋源艙的姿態角。

測量與控制系統：建設10餘個毫米級精度基準站組成的測量基準網。通過9個近景測量基站，對反射面位形實時掃描；利用激光跟蹤儀及激光跟蹤系統實現對饋源艙實時反饋的控制；建設現場總線系統，實現反射面的主動變形；建設實時檢測和健康監測系統。

饋源與接收機系統：研製高性能的多波束饋源接收機，頻率覆70MHz-3GHz。研製饋源、低噪聲製冷放大器、寬頻帶數字中頻傳輸設備、高穩定度的時鐘和高精度的頻率標準設備等。配置多用途數字天文終端設備。

觀測基地建設：主要負責觀測基地及輔助設施的建設（包括道路施工等），以確保高質量的支持望遠鏡的運行、觀測和維護，並滿足 FAST工作人員的工作與生活需要。根據功能需要，觀測基地的建築計劃包括綜合樓、維修廠房和分散在基地及反射面周圍的零星建築等。

台址

FAST台址選定在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮金科村的大窩凼窪地,此窪地位於北緯25.647222度，東經106.85583度，直徑大約800米，東北距平塘縣城約85km,西南距羅甸縣城約45km。總體位於貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，地勢總體上北高南低，區域內碳酸鹽岩廣泛分布，岩溶峰丘、窪地、落水洞極為發育，地形起伏不平，低山地形。大窩凼窪地的山樑最高為東南側山頭，標高1201m，窪地的最低點標高841m，最大相對高差達360m。窪地地表岩溶窪地發育，地形起伏大，坡度較陡，地貌類型簡單，局部山體陡峭，形成陡崖和懸壁。中科院已在貴州省貴陽市註冊成立貴州射電天文台管理該項目。

之所以選址「大窩凼」有三方面原因，一是地貌最接近FAST的造型，工程開挖量最小；二是這裡的喀斯特地質可以保障雨水向地下滲透，不會在表面淤積而損壞和腐蝕望遠鏡;三是射電望遠鏡需要一處「靜土」，「大窩凼」附近5千米半徑之內沒有一個鄉鎮，無線電環境理想。

意義價值

能把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通訊數據下行速率提高100倍。

脈衝星到達時間測量精度由120納秒提高至30納秒，成為國際上最精確的脈衝星計時陣，為自主導航這一前瞻性研究製作脈衝星鍾。

進行高分辨率微波巡視，以1HZ的分辯率診斷識別微弱的空間訊號，作為被動戰略雷達為國家安全服務。

基於FAST的強大功能，如果銀河系(直徑約為15萬光年)內存在外星人，他們的信息就很可能被發現。國際科研項目「搜尋外星人計劃」(SETI)的首席科學家丹·沃西默最近向中方提出，希望在FAST加裝設備，可合作搜索外星人信號。

具有中國獨立自主知識產權的FAST，是世界上目前口徑最大、最精密的單天線射電望遠鏡，其設計綜合體現了我國高技術創新能力。它將在基礎研究眾多領域，例如宇宙大尺度物理學、物質深層次結構和規律等方向提供發現和突破的機遇，也將在日地環境研究、國防建設和國家安全等方面發揮不可替代的作用。其建設將推動眾多高科技領域的發展，提高原始創新能力、集成創新能力和引進消化吸收再創新能力。它的建設與運行將促進西部經濟的繁榮和社會進步，符合國家區域發展總體戰略。

FAST的天線口徑為500米，將是國際上最大的單口徑望遠鏡，與號稱「地面最大的機器」德國波恩100米望遠鏡相比，其靈敏度提高約10倍。如果天體在宇宙空間均勻分布，FAST可觀測目標的數目將增加約30倍。與美國Arecibo 300米望遠鏡相比，FAST靈敏度高2.25倍，而且Arecibo 20°天頂角的工作極限，限制了觀測天區，特別是限制聯網觀測能力。可以預測FAST將在未來20－30年保持世界一流設備的地位，並將吸引國內外一流人才和前沿科研課題，成為國際天文學術交流中心。

首要目標

FAST總工藝師王啟明表示，在FAST的科學目標中，確實「包括尋找地外文明」，「但是這並不是我們排在最前列的目標」。「排在我們最前列的目標是尋找脈衝星。^[4]」

脈衝星是快速自轉的中子星，它能夠發射嚴格周期性脈衝信號。脈衝星的觀測研究不僅具有重要的物理意義，而且具有重要應用價值，在時間尺度、深空自主導航等方面具有重要的應用前景。

為什麼要找脈衝星？王啟明說，脈衝星會不斷地發出脈衝信號，而這種信號非常穩定。「找到以後就可以應用於深空探測、星際旅行，可以起到導航作用。」

他舉例稱，「如果你要走到火星，或者走出太陽系，甚至走出銀河系，根本無法用地球上的GPS去導航，但如果能知道宇宙中很多脈衝星的位置，就可以通過它來定位、導航。」

他還指出，航天航空的精確定位也離不開射電望遠鏡。「如果我們發射飛船去火星，飛船在走的過程中隔一段時間就發一個脈衝信號回來，我們的中國『天眼』就可以接收到這個信號，判斷它的位置，是否在正確軌道上。」

人類在地面建實驗室，高溫高壓強磁場都是很難實現的，而脈衝星的實驗條件非常極端，它「對人類認識極端條件下的一些物理現象也有非常重大的意義」。

除了觀測脈衝星，中國「天眼」的另一大科學目標是「巡視宇宙中的中性氫」。他指出，這可以「研究宇宙大尺度物理學，以探索宇宙起源和演化」。

政策文件

新的《貴州省500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》施行，「中國天眼」寧靜區的管理保護力度將進一步加大，半徑5公里的核心區內嚴禁擅自攜帶手機、數碼相機、智能穿戴設備等無線電發射設備或產生電磁輻射的電子產品，對違法行為的處罰額度從1000元至3萬元不等。

所獲榮譽

2019年9月，被中宣部命名為「全國愛國主義教育示範基地」。12月10日，獲建築業科技創新暨2018年—2019年度中國建設工程魯班獎^[5]。

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