探索宇宙奥秘的国之重器

本文转自：厦门日报

“中国天眼”:

探索宇宙奥秘的国之重器 我国500米口径球面射电望远镜（FAST），被称为“中国天眼”。它是“十一五”国家重大科技基础设施建设项目，采用我国科学家独创的设计和贵州南部喀斯特洼地稳定而独特的地形条件建设的高灵敏度的巨型射电望远镜，2016年9月落成启用后遥望宇宙。

“中国天眼”与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米口径射电望远镜相比，灵敏度提高约10倍；与被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博（Arecibo）300米口径射电望远镜相比，综合性能提高约10倍。作为目前世界上最大的单口径射电望远镜，“中国天眼”将在未来二三十年保持世界一流设备的地位。

“中国天眼”五大科技创新

“中国天眼”自2011年3月开工建设，其科技创新的脚步从未停止。在建设阶段，获得了钢结构、自动化产业、机械工业、测绘地理信息技术、电磁兼容研发等10余个领域的国家大奖。“中国天眼”借助50根钢柱、670条钢索和2225根下拉索，建起一张世界上跨度最大、精确度最高的蜘蛛网，上面覆盖了4450面反射镜（总面积25万平方米，相当于30个标准足球场），配合顶部的接收机共同活动，它能有效观测太空中不同区域的电磁波信号。这就是“中国天眼”的观测敏感度和数据接收能力比其他国家的同类产品更为强大的原因。

1.创建了超大型射电望远镜的新系统，即主动反射面、馈源支撑等系统，实现了500米的口径反射面主动变位和馈源舱高精度定位，是射电望远镜建造技术的重大突破。

2.采用了适应山区复杂地形的圈梁支承形式，发明了索网形态分析的目标位形初应变补偿法，研究了主动变位的索网疲劳性能，实现了大尺度、超高精度及主动变位等创新性结构设计。

3.研制了500兆帕超高应力幅及毫米级精度的结构钢索，发明了多种大跨度、高精度施工法，突破了现场极其苛刻的复杂场地限制，实现了建设完成跨度极大、精度极高的望远镜主体结构。

4.发明了大尺度、高精度、高动态测量控制与安全评估技术，实现了提供反射面高精度位置信息和全天候、高精度、大尺度高采样率的馈源支撑动态测量。

5.采用了全过程工程咨询模式，开创了“十字形”交叉管理系统和“五维一体”的项目管理方式，实现了节能、绿色、环保等管理体系的有机融合。

为提升“中国天眼”运行维护质效，2019年底又启动了国家重点研发计划“智能机器人”重点专项“重大科学基础设施FAST运行维护作业机器人系统”项目，解决了“中国天眼”运行维护中存在的高危作业风险隐患、人工维护效率较低、气候条件制约观测等问题，于2023年7月26日通过现场验收。

为探索宇宙奥秘做出中国贡献

“中国天眼”是我国在科学前沿实现的重大原创突破，极大地拓展了人类观天极限。发现新脉冲星数量达800余颗，是国际上同一时期所有其他望远镜发现脉冲星总数的3倍以上；首次在射电波段观测到黑洞“脉搏”，有望打开黑洞射电观测和理论研究的新思路；发现迄今轨道周期最短脉冲星双星系统，从观测上证实了蜘蛛类脉冲星的演化理论……

快速射电暴（FRB）是宇宙中最明亮的射电爆发现象，在1毫秒的时间内能释放出太阳大约一整年才能辐射出的能量。快速射电暴自2007年首次被确定存在以来，迅速成为天文学最新研究热点之一。得益于“中国天眼”的超高观测敏感度，我国科学家领导的科研团队发现了首例持续活跃重复快速射电暴，又对位于银河系外的快速射电暴进行了长期监测，取得了若干重要发现，对于早日揭示这一神秘宇宙现象的物理起源具有重要意义。

“中国天眼”的观测敏感度让中国天文学家站在了人类视野的最前沿。美国、欧洲、澳大利亚的科研团队均已开展了约20年的纳赫兹引力波搜寻。国家天文台研究员李柯伽所在的中国脉冲星测时阵列（CPTA）研究团队，利用“中国天眼”探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，为理解超大质量黑洞、星系并合历史和宇宙大尺度结构形成等重要问题提供帮助。凭借“中国天眼”的优良性能，CPTA研究团队以数据精度、脉冲星数量和数据处理算法上的优势，弥补了观测时长的差距，使我国纳赫兹引力波探测和研究同步达到世界领先水平。

为研究宇宙中天体起源打开新的窗口

“中国天眼”自建成后，在快速射电暴起源与物理机制、中性氢宇宙研究、脉冲星搜寻与物理研究、脉冲星测时与低频引力波探测等方向持续产出成果。近期宇宙中最大原子气体结构的新发现，就是由中国科学家通过“中国天眼”观测到的，相关成果已在学术期刊《自然》上发表。“中国天眼”能够探测到远离星系中心的极其稀薄的弥散原子气体所发出的暗弱辐射，这为研究宇宙中天体的起源打开了一个崭新的窗口。

“中国天眼”作为一个多学科基础研究平台，有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体。能研究极端状态下的物质结构与物理规律；有希望发现奇异星和夸克星物质；发现中子星——黑洞双星，无需依赖模型精确测定黑洞质量；通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波；用于搜寻识别可能的星际通讯信号，寻找地外文明等等。

“中国天眼”对脉冲星到达时间测量精度，由120纳秒提高至30纳秒，成为国际上最精确的脉冲星计时阵，为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。可进行高分辨率微波巡视，以1赫兹（Hz）的分辨率诊断识别微弱的空间讯号。作为“子午工程”的非相干散射雷达接收系统，提供高分辨率和高效率的地面观测；跟踪探测日冕物质抛射事件，服务于太空天气预报。 （厦门市老科协 供稿）

【名词】

与光学反射望远镜接受宇宙光波不同，射电望远镜接受的是宇宙的射电辐射。射电望远镜由定向天线或天线阵、馈电线、高灵敏度接收机和记录仪等部分组成。灵敏度是射电望远镜最重要指标，它是指射电望远镜“最低可测”的能量值。为提高灵敏度，常用的办法有降低接收机本身的固有噪声，增大天线接收面积，延长观测积分时间等。射电望远镜对无线电环境要求极高，调频电台、电视、手机以及其他无线电数据的传输都会对观测造成干扰。