中國天文科學大型裝置的研制與應用_三_500米口徑球面射電望遠鏡_FAST

大

科

學

裝

置

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中國天文科學大型裝置的研制與應用（三）

———500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）

*

中國科學院國家天文臺中國科學院基礎科學局

（北京（北京

100012)100864)

關鍵詞重大科技基礎設施，米口徑球面射電望遠鏡

500

1

科學背景

射電天文學利用射電望遠鏡在無線電

波段“觀察”天體。傳統射電望遠鏡的基本結

構有個主要部分———反射面、接收機和指

3

向裝置。來自太空天體的無線電信號極其微

弱，年來所有射電望遠鏡收集的能量還

70

翻不動一頁書。閱讀宇宙邊緣的信息需要大

口徑望遠鏡，由于自重和風載引起的形變，

傳統全可動望遠鏡的最大口徑只能做到

球冠反射面在射電電源方向形成米口

300

徑瞬時拋物面，使望遠鏡接收機能與傳統拋

物面天線一樣處在焦點上；采用輕型索拖

③

動機構和并聯機器人，實現接收機的高精度

定位。

FAST

突破了射電望遠鏡的百米極限，

開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式。它擁

有個足球場大的接收面積，將是國際上

30

最大的單口徑望遠鏡。與號稱“地面最大的

機器”的德國波恩米望遠鏡相比，靈敏

100

度提高約倍；與排在阿波羅登月之前、被

10

評為人類世紀大工程之首的美國

2010

100

米。

由中國天文界提出建造的世界最大的

單口徑射電望遠鏡———米口徑球面射

500

電天文望遠鏡（—

FASTFive-hundred-meter

Arecibo300

米望遠鏡相比，其綜合性能提高

約倍。作為世界最大的單口徑望遠鏡，

10

ApertureSphericalradioTelescope

）采用了全

新的設計思路

并擁有項自

3

主創新：利

①

用貴州天然的焦比

喀斯特洼坑作

為臺址；洼

②

坑內鋪設數千

塊單元組成

球反射面半徑，口徑，球冠張角—

有效照明口徑

天空覆蓋天頂角，可跟蹤時間—

工作頻率—

靈敏度（波段）天線有效面積與系統噪聲溫度之比，

LA/T～2000m

多波束（波段）個

L19

換源時間

跟蹤精度

FAST

的主要技術參數

R≈300mD≈500mθ≈110°120°

Deff=300m

0.467

40°46h

70MHz3GHz

2

/K

系統噪聲溫度

T～20K

<10min

8″

500

米球冠狀

主動反射面，

*本文由國家天文臺FAST工程辦公室主任張蜀新研究員（E-mail:zsx@），基礎科學局彭子龍共同組織

撰寫

修改稿收到日期：2009年10月20日

670

2009年

..

第24卷第6期

500FAST

米口徑球面射電望遠鏡（

）

FAST2030

將在未來—年保持世界一流設

備的地位。主持召開了“項目國際評估與咨詢

年月日院長辦公會決議，基礎科學局

114

FAST

會”。與會專家高度評價了的科學意

FAST

義和技術創新性，肯定了關鍵技術的

FAST

可行性，并建議盡快立項建設：“精良裝備的

2FAST

工程歷程

1993

年國際無線電聯大會上，包括中

國在內的國天文學家提出建造巨型望遠

10

鏡的計劃，渴望在電波環境徹底毀壞前，回

溯原初宇宙，解答天文學中的眾多難題。在

這一科學源動力驅使下，通過不斷探索，中

國天文學家提出了在貴州喀斯特洼地中建

造米口徑球面射電天文望遠鏡的建議

500

和工程方案。自以來以中科院國家天

1994

文臺為核心，聯合國內余所大學和研究

20

所的百余名科研人員，對貴州臺址、主動反

射面、光機電一體化的饋源支撐系統、高精

度的測量與控制、接收機等項關鍵技術開

5

展了長達年的合作研究。立項前，

14FAST

項目組及其合作團隊對建設望遠鏡

FAST

在技術方案上開展了多項工作：

FAST

將為新的科學發現和突破天體物理學

前沿熱點問題提供獨一無二的手段。評

.....

審委員會全體一致認為：令人激動的

FAST

項目無疑是可行的，并且建議盡快推動其進

入下一步———詳細設計和建設”；

200611

年月，受國家發改委的委托，

中國國際工程咨詢公司（中咨公司）對國家

重大科技基礎設施的項目建議書進

FAST

行了專家評估；

2007710

年月日，國家發改委原則同

意將項目列入國家高技術產業發展

FAST

項目計劃，要求抓緊開展可行性研究工作，

在條件具備后上報可行性研究報告；

1994400

年開始，現場考察、分析了個

洼地，制作了個候選洼地的高分辨率（

905

米像素）數字地形模型（）圖象，并最

/DTM

終選擇貴州省平塘縣的大窩凼洼地作為

2008318

年月日，受國家發改委的委

托，中咨公司對國家重大科技基礎設施

FAST

的可研報告進行了專家評估；

200810

年月，國家發改委批復了

FAST

工程的可行性研究報告；

200812FAST

年月，工程初步設計和

概算通過中科院和貴州省人民政府組織的

專家評審，舉行了工程奠基典禮；

FAST

FAST

臺址；

1999FAST

年，“大射電望遠鏡預研究”

作為中科院知識創新工程首批重大項目立

項，得到中科院及科技部支持；

2002FAST

年，中科院立項“關鍵技術

優化”重要方向項目；

20092

年月，中科院和貴州省人民政

府批復了工程的初步設計和概算。

FAST

預計工程項目將于年底開

FAST2009

工建設，工期約年半。

5

2005

年，國家自然科學基金委啟動了

交叉學科重點項目“巨型射電天文望遠鏡

（）總體設計與關鍵技術研究”；

FAST

3

主要科學目標

具有我國自主知識產權的，是世

FAST

界上正在建造及計劃建造的口徑最大、最具科技重大基礎設施“建議書專家評審

威力的單天線射電望遠鏡，其綜合設計體現會”，項目順利通過評審；

了我國自主創新能力，其建設將推動眾多高

科技領域的發展，提高原始創新能力、集成科院院長辦公會審議，正式啟動立項申請工

創新能力和引進消化吸收再創新能力。它的作；

20059

年月，中科院組織召開了國家

FAST

2005114FAST

年月日，項目通過中

20063292005

年月日，根據中科院

建設與運行將促進西部經濟的繁榮和社會

2009年

..

第24卷第6期

671

大

科

學

裝

置

進步，符合國家區域發展的總體戰略。已發現的大約占。目前新品種的脈沖星

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3%

的數目還不多，而且它們往往是在現有設備

的探測極限附近發現的。具有高的靈的靈敏度（即探測暗弱天體的能力）與其口

FAST

敏度和大的天區覆蓋，使用多波束饋源和徑（）的二次方（

1DD

小時積分時間，將能用年巡視時間發現數宙空間的體積（即大約可探測的天體數目）

1

千顆新的脈沖星，有利于發現更多暗弱脈沖與其口徑的三次方（

星、毫秒脈沖星、脈沖雙星、雙脈沖星系統、后，可觀測的天體數目將大幅度增加，可為

脈沖星行星系統、河外強脈沖星、非球狀星科學家提供更多更好的觀測統計樣本，可更

團毫秒脈沖星等罕見品種。的非積分可靠地檢驗現代物理學、天文學的理論和模

FAST

高靈敏度特別適用于脈沖星偏振、單個脈沖型；它將搜尋到更多的奇異天體，其中蘊涵

等的研究，對星際介質做更精確的探測，揭著大量新發現的機會。的觀測涵蓋廣

示脈沖星輻射的成因。如果幸運，也許泛的天文學內容，從宇宙初始混沌、暗物質

FAST

會觀測到目前尚未發現而可能存在的新品分布與大尺度結構、星系與銀河系的演化、

種，如奇異星和黑洞雙星等。恒星類天體乃至太陽、行星與鄰近空間事件

FAST

以接收面積為突破方向。望遠鏡

2

）成正比，而其可探測宇

D

3

）成正比。它投入使用

FAST

等的研究，都具有非凡的競爭力。擬回

FAST

答的科學問題不僅是天文的，也是面對人類

與自然的。除以下的研究方向，它的科學產

出也許今天我們還難以預測。

（）主導國際甚長基線干涉測量網，并

3

獲得天體超精細結構。

射電天文學對望遠鏡

分辨率的追求，最終發展成今天的甚長基線

干涉測量。加入的兩面天線可

VLBIVLBI

以隔洲跨洋，其角分辨率，基線可

θ=λ/BB

以有地球直徑那么長，如果將天線送至太空

將更長。現代全球網的分辨率已突破宙間最簡單、最豐富的元素，它與宇宙大爆

VLBI

毫角秒，比其他所有的天文波段的分辨率至炸幾乎同齡。“宇宙的百科全書是用微弱的

少高個數量級。

3

國際網有歐洲網、美國網敏的望遠鏡。”其觀測研究將回答星系及星

VLBIEVN

（）巡視宇宙中的中性氫，研究宇宙大

1

尺度物理學，探索宇宙起源和演化。

氫是宇

21cm

氫譜線寫成的，要閱讀它需要非常靈

系團演化與成因、暗物質空間分布及宇宙低

峰擾動等天文學熱點問題。同時，對中性氫徑為—，最大為。如果

分布的詳細觀測，還有可能揭示本星系群和加入，由于它巨大的接收面積和地處所有聯

附近物質的纖維狀分布，為我們深入了解暗測網邊緣的地域優勢，可將靈敏度提高

物質的分布和性質提供更多的線索。倍，可成圖的目標數增加倍，將成為

VLBAAPT

和亞太網等。主要單元天線口

20m40m100mFAST

10

1000

國際網俱樂部的“網主”。由、地

VLBIFAST

面天線和空間左右天線構成的

100m10m

（）觀測脈沖星，研究極端狀態下的物

2

質結構與物理規律。

脈沖星和脈沖雙星的研

究由于證認了中子星及間接證明引力輻射

的存在，分別獲年和年諾貝爾物

19741993

理學獎。目前已發現脈沖星余顆，毫

1850

秒脈沖星余顆。脈沖星是極端物理條件

200

下的實驗室，是“星際介質的探針”。

理論估計銀河系中應有脈沖星萬顆，

6

VLBI

系統，其靈敏度將比現有設備提高

0.510.1

—個數量級。有可能以優于個日地

距離分辨能力，獲得少數熱譜源精細圖像，

從而研究恒星類天體的形成與演化。甚至直

接為近鄰雙星系統和太陽系外行星成像。

（）探測星際分子，研究恒星形成與演

4

672

2009年

..

第24卷第6期

500FAST

米口徑球面射電望遠鏡（

）

化、星系核心黑洞以及探索太空生命起源。

2060

世紀年代初，由于毫米波天文學的發

展，在星際介質中觀測到不同轉動能級躍遷

產生的分子譜線，這些分子中包括了蛋白質

的基本化學元素、、和等。由此，射

CHNO

電天文學認為，前生命期復雜分子的發生可

能不需要從零開始，分子天文學的奠基人

尋找來自地外的“人工”信號。主流科

SETI

學家認為人類應將搜索集中在的

1－3GHz

無線電頻率范圍，尤其是的中性氫線

21cm

（）與羥基線（）之間。與

HI18cmOHHOH

結合成水（

H

2

O

），因而這一狹窄頻帶又稱為

“水洞”。水對地球生命是最基本的，地外

的“水族”可能也會自然地通過水洞尋找同

類。在諸多觀測課題中，“鳳凰計劃”是最著

名巡視，它始于年，正使用目前

SETI1994

世界上最大的天線———望遠鏡對來

Arecibo

自鄰近的大約顆類太陽星周圍的無

1000

線電信號進行系統的搜索和證認。具

FAST

有更強的搜索能力和更遠的搜索距離，期望

會給我們帶來更大的發現機遇。

Townes1964

也因此榮獲年諾貝爾物理學

獎。迄今，已證認星際分子余種，其中有

140

850

種脈澤分子，包括多條非熱脈澤譜線。

在銀河系已發現幾千個脈澤源，在河外星系

中發現了個超脈澤源和多個

106OH20

HO

2

超脈澤源。

星際分子廣泛存在于多種天文環境。約

有的分子譜線處于厘米、分米波段。

20%

（）其他應用領域。

6

例如，將把

①FAST

我國深空測控及通訊能力由地球同步軌道

延伸至太陽系外緣行星，能使目前我們的深條低頻甲醇（

空通訊數據下行速率提高—倍，種重要分子譜線。利用其高靈敏度，可對超

1001000

強有力地支持我國未來載人航天、探月和深強紅外星系、高紅移星系、活動星系和類星

空探測計劃，能應對深空飛行器在快速工程體進行、、

變軌和著陸時的測控需求。的經緯廣泛搜尋。的性能將可觀測到更多

②FASTFAST

度使它處在全球深空網中的有利位

DSN

置，將在全球小時日不落合作中發揮重型的關系、超脈澤與核活動的關系、超脈澤

24

要作用。觀測電離層對衛星和射電源信號和星系核相對論性外流的關系。在多波束模

③

的閃爍，研究電離層不均勻的時空結構，為式下，用做超脈澤的巡天工作，

我國軍民用通訊和衛星定位服務。觀測行星將增進我們對其光度函數的理解，為我們提

際閃爍和法拉第旋光現象，跟蹤探測日供有關其起源的信息。

IPSCH

冕物質拋射事件，了解太陽風的行星際傳最亮的射電點源，強出鄰近脈澤近個

播，服務太空天氣預報。毫秒脈沖星自轉數量級，它的研究正成為示蹤恒星及行星形

④

頻率具有很高的長期穩定度，被譽為自然界成和研究吸積盤的重要工具。此外還可能發

中最穩定的時鐘。目前已有約個脈沖星現高紅移巨脈澤星系，研究宇宙早期演化。

10

計時陣（）先后投入

PTA,PulsarTimingArray

工作，開始用建立獨立于原子時的脈

PTA

沖星時間標準。能將所使用的脈沖星

FAST

數目增加至顆，實現新時間標準的突

100

破，其精度有可能應用于未來深空飛行器的

自主導航。

（相關圖片請見彩插二、封三）

2009年

..

第24卷第6期

FASTOH

工作帶寬內包含羥基（）、唯一的一

CH

3

OHHCHO17

）和甲醛（）等

OHHCHOCH

3

OH

分子超脈澤的

OH

超脈澤源，進一步研究超脈澤和星系類

FASTOH

3

OH

脈澤是河內

OH1

（）搜索星際通訊信號，搜尋地外文明（

5

SearchforExtraTerrestrialIntelligence

—，

SETI

）。

人類從未停止過對是否存在地外文

明這一問題的孜孜探求，而近年來取得的地

球極限生命環境、存在地外水和太陽系外行

星系統項科學進展，又使升溫。

3SETI

與地外文明通訊的唯一可行的方法是

673