500米口径球面射电望远镜

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500米口径球面射电望远镜
FAST Radio Telescope (captured from video).jpg
基本資料
位置 中国贵州省平塘县克度镇大窝凼洼地
坐标25°39′10.5″N 106°51′23.7″E / 25.652917°N 106.856583°E / 25.652917; 106.856583[1]坐标25°39′10.5″N 106°51′23.7″E / 25.652917°N 106.856583°E / 25.652917; 106.856583[1]
高度1,134 米
波長10 cm 至 4.3 m[2]:11[3]
建築2011年3月25日–2016年7月3日
啟用2016年9月25日
望遠鏡型式可变形的固定性
口徑500 m (主体)
300 m (有效)[2]:12
集光面積70000 m2
焦長140 m (f/0.466)[2]:12
圓頂
fast.bao.ac.cn
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500米口径球面射电望远镜(英語:Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST)是中國科學院國家天文台的一座射电望远镜焦比達0.467。FAST位于贵州省平塘县克度镇大窝凼洼地,利用喀斯特洼地的地势而建。其主体工程于2011年开工,2016年落成。FAST是目前世界上最大的单一口径、填充口径(即全口径均有反射面的)射电望远镜[4];并且是世界上第二大的单一口径射电望远镜,仅次于俄罗斯的RATAN-600望远镜英语RATAN-600(该望远镜为环形)[5]

项目发展[编辑]

2015年8月FAST正在興建

国家天文台于1994年提出建造FAST项目的设想并开展预研工作。1994年4月,预研究及贵州选址工作启动[6]

哈尔滨工业大学空间结构研究中心沈世钊院士、范峰教授、钱宏亮教授为首的研究团队,自2003年起全程参与FAST项目结构系统的预研、可行性研究和初步设计。

在2007年7月國家發展及改革委員會批准此一專案[7][8][6],哈工大作为第一合作单位,负责反射面结构系统的初步设计。

經過考察,望远镜的建设定点定在大窝凼村,村民随即搬迁[9];为了避开电磁波干扰,居住在望遠鏡半徑5公里內的9,110位居民亦被搬遷[9][10]。大約有500個家庭企圖起訴當地政府,村民們指責政府強行拆遷、非法拘留,不給予補償[11]。中國政府為當地居民的搬遷投入了約2.69億美元的扶貧資金和銀行貸款,而望遠鏡本身的建設費用僅為1.8億美元[12]。在2008年12月26日,在施工現場舉行了奠基儀式[13]。2011年3月25日,FAST工程正式开工建设[6][14][15]。2012年12月31日,台址开挖主体工程竣工[6]。2013年12月31日,FAST完成钢结构主动反射面环形支撑圈梁的制造与安装。[16]。2014年11月30日,馈源支撑塔建成[6]。2015年2月4日,大跨度索网安装工程完成[6]。2015年8月2日,第一块反射面单元成功吊装[6]。2015年11月21日,馈源舱成功起舱进入联调阶段[6]。2016年7月3日上午,最後一個面板安裝完成[9][15][17][18],FAST望远镜主体工程完成[6][19][20]

2016年9月25日,FAST望远镜正式開光,開始測試和調適設備[21]。第一次觀測是在主反射器沒有活動的情況,以它固定的形狀配置下進行,並藉由地球的自轉掃描天空[8]。因為較長的波長對反射器形狀誤差的寬容度較大,隨後的早期科學研究將在較低的頻率下進行[22],以使主動表面達到其設計精度[23]。校準各種儀器需要三年的時間,之後就會全面投入運行[21],中國進入觀天時代。終極目標在尋找宇宙規律(Looking for the law of the universe)。2017年底,預計首批觀測數據公佈[24]

2017年10月10日,中国科学院宣布FAST首次新发现两颗脉冲星,其中一颗编号J1859-0131(又名FP1-FAST pulsar #1),自转周期为1.83秒,据估算距离地球1.6万光年;一颗编号J1931-01(又名FP2,随后被证实该脉冲星已于2007年被美国GBT望远镜350 MHz 漂移巡天项目所发现[25][26]),自转周期0.59秒,据估算距离地球约4100光年。这两颗脉冲星分别由FAST于2017年8月22日、25日在南天银道面通过漂移扫描发现。[27]

2018年,“中国天眼”安装并调试了专门用于地外文明搜索的后端设备。这个功能有点像筛子的后端设备,主要就是从“中国天眼”浩如烟海的电磁信号中,筛选出有用的窄带候选信号,而把天体和人工信号排除掉。美国加州大学伯克利分校地外文明研究团队基于几十年的地外文明搜索经验,携手中国科学院国家天文台,为“中国天眼”量身开发了这套专门设备。北京师范大学天文系宇宙学与地外文明研究团组张同杰教授预计2020年9月后可以投入新观测,启动针对地外文明的搜索。[28]

建成后超越波多黎各阿雷西博天文台,成为世界上最大的單面口徑球面射电望远镜[29]

最初的預算是人民幣7億元[2]:49[14],最終的造價是人民幣12億元(1.8億美元)[9][30]。遇到的最大困難是站址位置偏遠,道路通行不良,需要增加遮罩以抑制主鏡像制動器的電磁干擾(radio-frequency interference,RFI)[8]。主鏡制動器的故障率是依然存在的問題[8]

當地政府在望遠鏡周圍發展旅遊業的努力,引起了天文學家的擔心。他們擔心附近的行動電話是電磁干擾的來源[31]。估計在2017年會有1,000萬遊客,將迫使官員決定科學任務與旅遊業的經濟效應[32]

2020年1月11日,FAST通过验收,正式开放[33]

國際宇航大會(IAC)搜索地外文明計劃常設委員會(IAA SETI)會員、北京師範大學天文系宇宙學與地外文明研究團組張同傑教授近日首次透露,在設備升級後,被稱為「中國天眼」的500米口徑球面無線電望遠鏡(FAST),預計在2020年9月可正式啟動針對地外文明的搜索[34]

科學任務[编辑]

FAST的網站列出了下列項目做為這架電波望遠鏡的科學目標[35]

  1. 大規模中性氫的巡天調查
  2. 脈衝星的發現
  3. 領導國際VLBI的網路
  4. 檢測星際分子
  5. 檢測星際通信訊號(搜尋地外文明計劃
  6. 脈衝星計時陣列英语Pulsar timing array[36]

FAST望遠鏡於2016年10月加入SETI突破傾聽英语Breakthrough Listen專案,以尋找宇宙中的智慧外星通信[37]

與阿雷西博天文台的比較[编辑]

外部圖片链接
500米口径球面射电望远镜艺术概念图
阿雷西博天文台電波望遠鏡(上)與FAST(下)的盤面對比圖。

FAST的基本設計與阿雷西博天文台的電波望遠鏡相似:兩這都是在天然形成的滲穴內安裝固定的反射器,反射器以穿空鋁板製成,上方懸掛著有可移動的接收器。兩者的有效口徑也都小於主鏡實體的尺寸。但是,除了大小之外,還有五個顯著的差異[38][39][40]

首先,阿雷西博的反射盤是固定的一個球形。雖然它也懸掛在鋼纜網上,下面也有支撐可以微調它的形狀,但它們僅用於維護,並且是用手動操作和調整[38]。它是一個固定的球形,並且有兩個額外的反射器懸掛在上面,以修正由球面產生的球面像差[41]

其次,阿雷西博的接收平台固定在一個定點。為了支撐附加反射器更大的重量,主要的支撐電纜是靜態的,唯一電動的部分是用於補償熱膨脹的三個抑制絞車[38]:3。天線安裝在平台下方的旋轉臂上[38]:4。這種較小的運動範圍限制它只能查看天頂距19.7° 範圍內的物件[42]

第三,阿雷西博可以接收更高的頻率。組成FAST主反射器的三角形面板限制了其近似拋物面的精確度,因而限制了它可以聚焦的最短波長。阿雷西博更嚴格的設計使其能夠將銳焦保持到3公分的波長(10GHz);FAST的限制為10公分(3GHz)。二階位置控制的改進,或許可以將其推進至6公分(5GHz),但主反射器成為最終的限制。

第四,FAST的盤面更深,有助於更廣大的視野。儘管FAST的盤面直徑比阿雷西博的大64%,300米300米(980英尺)[15]:3的曲率半徑也比阿雷西博的270米(870英尺)大,形成的圓心弧是113°(阿雷西博是70°)。儘管阿雷西博在觀察天頂時可以使用到全口徑的305米(1,000英尺),但典型的傾斜觀測的有效口徑只有221米(725英尺)[38]:4(因為阿雷西博的位置接近赤道,所以可以經由地球的自轉掃描到較大部分的天空而得到補償。阿雷西博位於北緯18.35°,而FAST位於北緯約25.80°N,向北偏移了約7.5°。)

第五,阿雷西博的大型二級平台擁有幾個發射器,使其成為世界上僅有的兩個雷達天文學儀器之一。在NASA的資助下的行星雷達系統,使阿雷西博可以研究從水星到土星的固體物質,並對近地天體,特別是有潛在威脅天體,執行非常精密的軌道測定。阿雷西博還有幾個由NSF資助研究電離層的雷達。對於FAST的小型接收平台艙而言,這些強大的發射機是太大、太重了,因此它將無法參與行星防禦計畫英语Asteroid impact avoidance

技术细节[编辑]

由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。主动反射面是由上万根钢索和4450个反射单元组成的球冠型索膜结构,其外形像一口巨大的锅,接收面积相当于30个标准足球场。[43] 其创新设计方案为西安电子科技大学首提,由悬索支撑的馈源舱与馈源定位技术也源自该校。[44]

FAST有一個固定在自然凹陷的滲穴景觀(岩溶)中的主反射器,將接收到的電波聚焦在懸掛在其上方140米(460英尺)的"饋源艙"的接收天線上。主反射器用穿孔鋁板製成,由懸掛在輪緣上的鋼纜網支撐,

FAST的表面由4,450片[9]每邊長約11米(36英尺)的三角形[45]組成測地線圓頂英语Geodesic dome的形式。位於下方的2,225個絞車[8]使其成為主動表面,可以拉動面板之間的接頭,將柔性鋼纜支架變形為與所需天空方向對齊的拋物面天線英语Parabolic antenna[38]

"饋源艙"的六個支撐塔之一。

反射器上方是由六個高塔支撐,使用絞車伺服機構移動的一個輕型的電纜機器人英语Cable robots"饋源艙"[15]:13。接收天線安裝在斯圖瓦平台英语Stewart platform的下方,可以提供精細的位置控制,並補償風運動等的干擾[15]:13,使指向精度可以高達8弧秒[2]:24[7]:179

在500米圓盤內的300米口徑圖解。

天頂角60度的最大範圍內,有效的照明光圈會降低至200米,當有效且無損耗的照明光圈為300米時,角度為26.4度[46][2]:13

儘管反射器的直徑為500米(1,600英尺),但一次只能使用直徑300米的圓(維持正確的拋物面形狀的接收器照亮面)[15]:13

它的工作頻率在70MHz至3.0GHz[47],此參數接近拋物面鏡可以設置的精確度上限。它可以略有改進,但三角形段的大小限制了可以接收的最短波長。此範圍由饋源艙下的9個接收器覆蓋[2]:30,1.23–1.53GHz頻帶是氫線周圍的頻率,使用澳大利亞聯邦科學與工業研究組織製造的19束接收器。這是澳洲科學院中國科學院[48]合作的澳中天體物理研究聯合會英语Australian-China Consortium for Astrophysical Research的一部分[49]

蒐集到的大量資料將由澳大利亞伯斯國際電波天文學中心(International Center for Radio Astronomy,ICRAR)和歐洲南方天文台開發的次世代檔案系統(Next Generation Archive System,NGAS)儲存和維護[50]

项目团队[编辑]

“中国天眼”工程的发起者及奠基人是[8]中国科学院国家天文台研究員南仁東。自1994年起,他一直负责工程的选址、预研究、立项、可行性研究及初步设计,编订了科学目标,指导了各项关键技术的研究及试验。他在生前也擔任“中国天眼”的首席科學家[18]兼總工程師[8][51]

  • 现任总工程师:姜鹏(中国科学院国家天文台研究员)
  • 现任副总工程师:李菂(中国科学院国家天文台)、钱宏亮(哈尔滨工业大学威海校区海洋工程学院院长)等

學院一直難以為望遠鏡尋找到工作人員[30][52]。以它的規模,需要大量的工作人員,但因為位置偏遠,很難吸引到天文學家,使得望遠鏡不太可能在一段時間內滿載運行[53]。由於中國幾乎沒有電波天文學家,他們在國際上招募工作人員,但工資不高,許多人也擔心這個高規格的專案在管理上會很嚴格[30][52]

自2017年5月以來,學院一直在為FAST尋找合適的科學营运总监,但一直未能填補這個職缺[54][30][52]。雖然人們普遍引用的待遇是120萬美元,但這是一次性的研究補助金,而不是薪資或持續性的資助[52]

轶闻[编辑]

  • 2018年10月29日,《科技日报》以《“中国天眼”10万年薪难觅驻地科研人才》为题,报道了FAST驻地人员招聘难的情况。根据此报道,FAST准备以人力派遣形式,按工资加驻地补贴每年约10万人民币的待遇招聘驻地人员,但招聘时遭遇市场冷遇。[55]有评论认为,FAST招聘门槛很高,但工作枯燥、位置偏僻、待遇太低,与其他行业相比没有什么吸引力,招聘失败应该在意料之中。[56]

参见[编辑]

参考资料[编辑]

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進階讀物[编辑]

外部链接[编辑]