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1、单口径射电望远镜世界最大单口径射电天文望远镜500 米口径球面射电望远镜篇一 : 世界最大单口径射电天文望远镜500 米口径球面射电望远镜500 米口径球面射电望远镜世界最大单口径射电天文望远镜工程投资额：6.27 亿工程期限：2023 年2023 年上图为目前全球最大的射电望远镜 位于美国波多里格的Arecibo305 米口径天线，天顶扫描角 20。Arecibo 天文台和它巨大的望远镜系统始建于 1963 年，由美国国防部投资建设，它是目前世界上灵敏度最高的宇宙监听系统，能够承受和区分出来自数百万光年以外的宇宙电磁信息。Arecibo 望远镜自建成以来可谓出尽风头，1974 年该望远镜在宇
2、宙深处觉察了 1 个双生中子星系统，两名科学家利用这一觉察成功验证了爱因斯坦著名的重力波理论，并借此争论成果获得了 1993 年的诺贝尔奖。当 Arecibo 望远镜巨大的天线系统作为外景消灭在影片接触将来和007 系列影片黄金眼后，它壮丽的景观至今还让全世界的观众记忆犹。不过与影片中所做的描述不同，Arecibo 望远镜真正用于外星生命争论工程所占用的探测时间其实还不到整个系统工作时间的 1%。五年后，在贵州省平塘县克度镇一片名叫大窝凼的喀斯特凹地中， 将架起能够探寻和承受可能存在 “地外文明”信息的目前世界上最大单口径射电天文望远镜500 米口径球面射电望远镜。500 米口径球面射电望远镜
3、是国家科教领导小组审议确定的国家 9 大科技根底设施之一，此工程将承受中国科学家独创设计，利用贵州独特喀斯特地形条件和极端安静的电波环境，建筑 1 个 500 米口径球面射电天文望远镜。500 米口径的反射面由约 1800 个 15 米的六边形球面单元拼合而成。此方案改正了球差，简化了馈源，抑制了球反射面线焦造成的窄带效应。利用贵州南部独特的自然喀斯特洼坑可大大降低望远镜工程造价。FAST 工程具有 3 项自主创：利用贵州自然的喀斯特洼坑作为台址；洼坑内铺设数千块单元组成 500 米球冠状主动反射面；承受轻型索拖动机构和并联机器人，实现望远镜接收机的高精度定位。全的设计思路，加之得天独厚的台址
4、优势，FAST 突破了望远镜的百米工程极限，开创了建筑巨型射电望远镜的模式。台址的选定格外关键，要考察的因素很多，如气候、气象、土地利用、无线电环境、地质、人口、经济、劳动力、电力、交通、通信、网络、土地等，由于其中任何一项对今后的运行都会产生影响。贵州省平塘 县这一喀斯特地区发育的洼坑，就像 1 个自然的巨碗，刚好盛起望远镜约 20 万平方米的巨型反射面。建成后的望远镜将会填满整个山谷。大窝凼不仅具有 1 个自然的凹地可以架设望远镜，而且喀斯特地质条件可以保障雨水向地下渗透，而不在外表淤积，腐蚀和损坏望远镜。此外，还有极端安静的自然环境，由于无线电环境对射电望远镜影响极为重要，工程地址半径
5、5 公里之内必需保持安静和电磁环境不受干扰。大窝凼四周没有集镇和工厂，在 5 公里半径之内没有 1 个乡镇， 25 公里半径之内只有 1 个县城，是最为抱负的选择。它将拥有约三十个足球场大的承受面积，建成后将成为世界上最大的单口径射电天文望远镜。与其他望远镜不同，它既不是架在山顶， 也不巡游太空，而是在贵州一片喀斯特凹地中立足，如同一只巨大的 “天眼”，探测遥远、惊奇的“天外之谜”。FAST 与号称“地面最大的机器”的德国波恩 100 米望远镜相比，灵敏度提高约 10 倍；与排在阿波罗登月之前、被评为人类 20 世纪 10 大工程之首的美国 Arecibo300 米望远镜相比，其综合性能提高约
6、 10 倍。作为世界最大的单口径望远镜，FAST 将在将来 20-30 年保持世界一流设备的地位。此工程总投资 627 亿元，建设期为5 年，2023 年 12 月 26 日在贵州平塘正式开工。工程法人为中国科学院国家天文台。它的建设将形成具有国际先进水平的天文观测与争论平台，探寻被称为 21 世纪物理学最大之谜的“暗物质”、“暗能量”本质，为中国开展宇宙起源和演化、太空生命起源和查找地外文明等争论活动供给重要支持。FAST 在根底争论领域和国家重大需求方向的意义FAST 作为 1 个多学科根底争论平台，有力气将中性氢观测延长至宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，查找第一代天体。能用一年时间觉察约
7、7000 颗脉冲星，争论极端状态下的物质构造与物理规律；有期望觉察奇异星和夸克星物质；觉察中子星黑洞双星，无需依靠模型准确测定黑洞质量；通过准确测定脉冲星到达时间来检测引力波； 作为最大的台站参与国际甚长基线网，为天体超精细构造成像；还可能觉察高红移的巨脉泽星系，实现银河系外第 1 个甲醇超脉泽的观测突破；用于搜寻识别可能的星际通讯信号，查找地外文明等等。FAST 在国家重大需求方面有重要应用价值。把我国空间测控力气由地球同步轨道延长至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高100 倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的120 纳秒提高至 30 纳秒， 成为国际上最准确的脉冲星计时阵，为自主导航这一
8、前瞻性争论制作脉冲星钟。进展高区分率微波巡察，以 1Hz 的区分率诊断识别微弱的空间讯号，作为被动战略雷达为国家安全效劳。作为 “子午工程” 的非相干散射雷达接收系统，供给高区分率和高效率的地面观测；跟踪探测日冕物质抛射大事，效劳于太空天气预报。FAST 争论涉及了众多高科技领域，如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理、超宽带信息传输、海量数据存储与处理等。FAST 关键技术成果可应用于诸多相关领域，如大尺度构造工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。FAST 的建设阅历将对我国制造技术向信息化、极限化和绿色化的方向进展产生影响
9、。FAST 的系统构成射电天文望远镜通常由 3 个主要局部构成：会聚电磁波的反射面、收集信号的接收机以及指向装置。FAST 在贵州喀斯特凹地内铺设口径为 500 米的球冠形主动反射面，通过主动把握在观测方向形成 300 米口径瞬时抛物面；承受光机电一体化的索支撑轻型馈源平台，加之馈源舱内的二次调整装置，在馈源与反射面之间无刚性连接的状况下，实现高精度的指向跟踪；在馈源舱内配置掩盖频率 70MHz3GHz 的多波段、多波束馈源和接收机系统；针对FAST 科学目标进展不同用途的终端设备；建筑一流的天文观测站。FAST 工程进展状况FAST 的预争论历时 13 年，1993 年国际无线电联大会上，包
10、括我国在内的 10 国天文学家提出建筑巨型望远镜打算。自 1994 年，我国天文学家提出在贵州喀斯特凹地中建筑大口径球面射电望远镜的建议 和工程方案，它是我国射电天文学家依据国际大环境、我国特有的地理条件、国内外合作、和工程团队不断探究，逐步争论和提出来的。这一争论工作得到了国际天文学界的广泛支持，目前我国经济实力、制造力气、天文学进展、方案设计、地质条件等很多方面都到达了可以建筑这样 1 个大射电望远镜的条件和力气。建筑如此巨大的射电望远镜国际上没有先例，很多技术更是要靠我们自己钻研和解决，特别是在选址、主动反射面设计、馈源支撑系统优化、馈源与接收机及关于测量与把握技术等方面，面临巨大课题和
11、挑战，只有这些问题解决了，才能动手建筑。自 1994 年起，中国科学院国家天文台等 20 多所科研院所和知名高校，开展了对 FAST 的长期合作争论，同时FAST 被列入首批国家学问创工程重大工程。通过 10 多年的探究，完成了预研和优化争论 2 个环节，具备了建筑世界上最大的射电望远镜的科技实力。2023 年 7 月 10 日，国家进展和改革委员会原则同意将FAST工程列入国家高技术产业进展工程打算，要求抓紧开展可行性争论工作，在条件具备后上报可行性报告。FAST 的总体技术指标主动反射面半径 300m,口径 500m,球冠张角 110-120有效照明口径Dill=300m焦比 0.467天
12、空掩盖天顶角 40工作频率 70MHz3GHz灵敏度天线有效面积与系统噪声温度之比A/T2023 m2/K系统噪声温度T20K区分率 2.9多波束十九个观测换源时间世界主要射电望远镜1955 年，英国在曼彻斯特的焦德雷尔班克观测站建成直径 76 米的全可动抛物面射电望远镜，并在 1957 年跟踪苏联放射的第一颗人造地球卫星时发挥重要作用，从今著名于世。20 世纪 60 年月，美国在中美洲的波多黎各利用 1 个自然凹地建成305 米直径的固定球面射电望远镜，至今仍以口径最大著称于世。1971 年德国建成一架直径 100 米的全可动抛物面天线，它是目前世界上最大的一架全可动天线。上世纪 80 年月
13、末，美国的 VLA 大型综合孔径阵在墨西哥州落成。印度的GMRT。1997 年日本放射了第一台空间射电望远镜VSOP 。工程选址现场照片国内目前最大的光学天文望远镜，在中国科学院云南天文台(丽江观测站落成并正式投入运行。这台大型光学天文望远镜高 8 米，重 40 多吨，通光孔径 2.4 米，是东亚地区最大口径的通用光学天文望远镜之一，可通过远程把握进展自动操作，综合性能处于同级望远镜的国际先进水平。其终端配置超过 3000 万像素的拼接 CCD 相机，以及我国与丹麦合作研制的暗弱天体光谱仪照相机， 主要对恒星和星系进展观测，用于恒星物理和宇宙科学争论。随着这架天文望远镜投入使用，丽江天文观测站
14、成为我国南方最重要的天文观测基地。视频：007 黄金眼篇二 : 真牛！中国500 米口径射电望远镜领跑世界从贵阳机场驱车向南，经高速大路转上土石路，颠簸 3 个小时， 穿过最终一道狭窄山口，500 米直径的白色钢环突然消灭，填满了视野。那是史上最大望远镜的圈梁。走上 FAST 的圈梁，像是走在一座钢桥上。它被 50 根 6 米到50 米凹凸不等的钢柱支在半空，周长 1.6 公里，绕走一圈要 40 分钟。鸡蛋粗细橡胶外表的索绳，攀附圈梁悬垂穿插，总重1300 吨， 已编织成网，于2 月 4 日完工。下一步，就是拼装FAST 的天线反射面。FAST 估量 2023 年成型，中国的射电天文学届时将领
15、跑世界。电视收不到信号时，屏幕上不是一片空白，而是雪花闪耀并发出刺刺声，这就是来自太空的射电信号。1931 年，美国一位电子工程师觉察，银河中心能传来有规律的电波。这开创了射电天文学。射电跟光没太大区分，都是电磁波。光只是能刺激眼睛的一小局部电磁波。从伽马射线到紫外线到可见光再到红外线和射电，各有监测这些不同波段电磁波的望远镜。“射电”是比红外线频率还要低的电磁波段。射电望远镜，跟收卫星信号的天线锅是一回事。通过锅的反射聚焦，把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。射电天文学家是装备最高级的无线电爱好者，他们倾听的信号不是人造的，而是“天生”的。为了提高射电望远镜的表现，天文学家想出一个方法
16、，就是让很多个天线锅对准同一目标，通过比对信号算出更准确的信号位置。但是想接收更微弱的射电，只有把天线锅造得更大。中国科学院国家天文台FAST 工程首席科学家、总工程师南仁东说，宇宙空间混杂各种辐射，遥远的信号像雷声中的蝉鸣，没有超级灵敏的耳朵就区分不出来。1993 年东京召开的国际无线电科学联盟大会上，包括中国在内的 10 国天文学家提出建筑一代射电“大望远镜”。他们期望，在全球电信号环境恶化到不行整理之前，能多收获一些射电信号。建筑FAST 的动机肇始于此。FAST 之前，世界上最大的射电天线锅，一个是德国 100 米直径的“埃菲尔斯伯格”，一个是美国 300 米直径的“阿雷西博”。前者是
17、可以移动摇头的，后者借助波多黎各岛上的喀斯特洼坑，跟FAST 相像。造更大的望远镜格外困难。天线锅要求毫米级的精度，在平地上建百米以上的天线锅，自重就会造成形变，一阵风也会让它变形。有天文学家提出了思路：在喀斯特地形下常见的“天坑”里造。1994 年底，北京天文台牵头 20 所院校，提出了“喀斯特工程”。预备从中国西南很多个喀斯特地貌的凹坑中，选出一个来建大望远镜。看过遥感图，大家确定了 300 个候选的圆坑，经过走访又筛选出 80 个最圆的。贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的一个圆形凹地大窝凼，成为最有力的竞争者。“凼”，音荡，水坑的意思。“当时到这里来勘测，明显感觉比其他的凼更圆一点。”南仁
18、东说，他下踏了百个天坑，大窝凼最适宜。选一个外形最圆、深度和尺寸恰好的洼坑，可以削减“磨圆”所需的土石方工程量。在现场，南仁东指着坑底说：“绿色的地面是没有开挖过的，黄色的是动过土的。”我们目测这两局部面积是一比一。水在石灰岩上削出几百米直径的“凼”。凼的底部都会有一个至少浴缸大小的水洼，这是积水向下渗透的地方。天文学家们考虑到， 喀斯特地质下，积水可以从坑底渗漏出去，不至于於积和危害天线。不过FAST 的天坑里，还是开掘了一条通到“隔壁”坑里的排水道。指着建在山腰上的六座钢架，南仁东说，假设不依托天坑，这些钢架就得从平地而起，不光造价担当不起，也无法到达精度要求。在天坑中建筑，很麻烦的一点是
19、空间腾挪不开。为此施工人员想了很多方法，用人工补机器的缺乏，实行一系列工艺，得以把几十座钢梁和几十段框架，一点点搬运到恰当的位置。FAST 的设计目标，是把掩盖 30 个足球场的信号，聚拢在药片大小的空间里。不如此，就无法监听到宇宙中微弱的射电信号。500 米的构造，要实现毫米级精度，是天文学家从未做过的。光确保钢构造不变形就是一大挑战。热胀冷缩效应无法无视。南仁东指着钢架与边框相接处说，到了夏天，边框会比冬天外移 30 厘米。1.6 公里长的巨大边框并不固定，而是“搁”在钢架上，它与钢架的接触面是一层平滑材料。这样即使边框胀缩，钢架也不会歪斜。FAST 的天线锅呈现标准的球形，在工作时它会变
20、形，在适当的位置形成一个 300 米直径的抛物面。FAST 靠变形来转换天线方向。就像水手扯动缆绳把握帆的朝向一样，FAST 拉扯索网来变形天线锅。FAST 的钢索网，联系着边框以及 2023 多个天坑地外表上的小电机。这些电机协作动作，把握着钢索网的外形。整个变形过程，由激光定位系统校准。而在索网的上空，高高悬着一个类似于神舟飞船大小的馈源 舱，内设世界最精贵的接收器。这个接收单元内部，也有一个有六条伸缩腿的变形框架，负责把接收器放置在焦点上。30 吨重的馈源舱， 被六条 400 多米的钢索吊起，移动范围达200 米，再求精度，谈何容易。框架、索网、接收器，每一局部的位移都要把握在毫米级，F
21、AST才能正常工作。比起目前领先的“埃菲尔斯伯格”望远镜，FAST 的灵敏度将提高 10 倍。这意味着，远在百亿光年外的射电信号，FAST 也有可能听到。FAST 建成后，天文学将注定有很多突破。首先，FAST 能够觉察更多的脉冲星。脉冲星是 1967 年觉察，由于信号规律，开头被误认为是外星人发出的信号。现在普遍认为， 脉冲星是一种高速旋转的中子星，就像海边的灯塔，旋转的光柱扫过地球。但也有一些证据似乎不支持灯塔模型。南仁东说：“现在我们侦测到的约 2023 颗脉冲星，全都是银河系内的。别的星系想必也有脉冲星。所以FAST 会避开银河，对准别的星系，觉察更多惊异的脉冲星，了解它是什么东西。”
22、南仁东说：“我们很可能会觉察一些前所未见的脉冲星现象， 比方说一个脉冲星和一个黑洞结对，那么就可能产生突破性的理 论。”FAST 期望第一年就找到几十颗银河外的脉冲星。FAST 还可能观看到早期宇宙的蛛丝马迹中性氢云团的运动。所谓中性氢，就是宇宙中未聚拢成恒星发光发热的氢原子，是一个质子加一个电子。原来从远处是看不到氢原子的，但质子和电子就像旋转的星球一样有磁极。假设电子磁极罕见地倒转了，一种波长为21 厘米的微弱电磁波就跑了出来。监测 21 厘米波，不仅能推断出哪里存在大量的中性氢，还能通过波长微小变化，推断出这些氢原子在远离还是靠近我们。由此，FAST 观测中性氢信号，就能获知星系之间互动
23、的细节， 还可能觉察早期宇宙中刚刚形成的氢是怎么运动的，从而为宇宙发育史供给线索。类似的道理，FAST 还能监听到一些太空有机分子发出的独特电磁波，让我们更准确地描绘出宇宙图景。假设幸运，FAST 还将尝试接收外星文明的电波。假设一二十年后，外星人有意无意释放的信号被地球收到，那确定是FAST 的功绩。在中国有人烟的地区，大窝凼四周算是电波稀有的了。我们路过四周的另一个凼钻过几百米的漆黑山洞，突现一座世外桃源。天坑底部种着蔬菜和庄稼，几栋木房子，狗吠鸡鸣之外，万籁无音， 令人心旷神怡。这里不通电线，最近一个乡镇在 5 公里外。射电望远镜正需要这么一处静土。贵州省政府 2023 年出台法令，在
24、FAST 四周设立一个 5 公里无线电静默区，30 公里内不允许有干扰设施。四周的农民将为此搬迁。在距离FAST 工程 8 公里的地方，散布有大小 12 个天坑组成的世界上最大的天坑群，其深度均超过 300 米以上，被称为“天坑博物馆”。贵州政府期望结合天坑和天文景观，“打造国际天坑天文旅游目的地”。而科学家们期望削减周边人类活动，避开电波风险。最灵敏的天线相当于最娇弱的耳膜，轻声耳语对它无异于大喊。南仁东说：“月亮上打手机，FAST 也能听得一清二楚。”不要说用手机，就算是四周使用电器，或者几十公里外有飞机向地面发送信息，在FAST 那里会造成一场电磁风暴。因此，将来在 FAST 现场工作的
25、科学家把握使用电器。FAST 的监听中心设在两道山以外。FAST 猎取的信号通过光纤传输到监听中心，再传送到外界，全程不能用无线装置。南仁东说，假设说 FAST 还有让人不放心之处，就是今后四周能否保持确定电波静默。2023 年，FAST 将进入反射面拼装阶段。科技日报记者在现场看到了三角形的面板，铝合金制，边长11 米，4000 多块这种面板最终将拼出FAST 天线锅。面板密布孔洞。南仁东说，一是为了风负载小一点，二是到达 50%的透光率，让天线面下能长草，避开水土流失。FAST 的设计和建筑，表达了中国人领先于世界的工程力气。光是把 33 米长、70 吨重的钢框部件一块块从沿海运送到山区，
26、在狭小的坑里吊起、拼合，就足够令人赞美了。负责施工的江苏沪宁钢机股份创了很多工艺，包括吊装技术，在世界上头一个完成了这类工程。FAST 是人类用极端手段探究遥远的星空，因而在建设中使用了大量非标准的工业模块，这就需要科研人员和各领域的制造厂商亲热协作，强力攻关，并研发技术。以钢索为例。FAST 的钢索网很重，拉扯又频繁，因此需要超高的耐疲乏强度。我们一般所用的钢索，包括斜拉桥上的钢索，其强度都是 200 兆帕、200 万次弯曲的，但FAST 的钢索上需要装上反射 面板，需要常常调换角度，不断拉伸，再加上 FAST 至少需要应用 30 年，所以设计人员提出了安装强度为500 兆帕、200 万弯曲
27、次数的钢索。FAST 工程团队和柳州欧维姆机械股份等单位合力攻关。FAST 工程争论人员历经了很屡次的失败。比方，当他们试验到 350 兆帕的时候，仅弯曲 6 万次就失败了；他们假设做一次 200 万次的弯曲试验，就需要 10 天。经过工程团队的不懈努力，柳州欧维姆机械股份最终研发出了符合要求的的钢索材料、包裹材料和制造工艺，满足了FAST 的要求。同时他们也申请了12 项专利。假设这种钢索使用到斜拉桥上，将大大提高桥梁的质量和寿命。望远镜的馈源舱是在天线锅中心的正上方吊起来的，由锅外 6 个支撑塔通过钢索共同拽住。馈源舱需向外传输的信号，都需借助支撑塔上的光缆输出，不能使用无线通讯。由于馈源
28、舱需要不断地调整位置，拽着它的钢索就需要不断地拉伸，附着其上的信号光缆也随着不断拉伸。FAST 工程团队设计了一种“窗帘式”的机构，信号线和电源线耷在钢索上，可随钢索一同拉伸。这不仅要求它们要能够抗弯曲疲乏，而且还需要信号线内的光纤在拉伸中不致信号衰减。国内以前对光纤弯曲的要求一般几十次就可以了。而FAST 工程要求光纤 5 年抗弯曲疲乏 6.6 万次。FAST 工程团队与北京邮电大学、武汉烽火通讯公司、北京康宁光缆公司等合作攻关，研发了 4 年，最终制造出了突破 10 万次弯曲疲乏寿命的 48 芯动光缆，同时让信号衰减到达最低，到达了 FAST 的要求，同时刷了世界纪录。大科学工程就是通过这些苛刻条件的提出与实现，推动着国内高技术产业的技术升级。估量两年后，FAST 获得的信号，将通过这条光缆传输到外界。每天会有海量的数据在贵州、北京和全世界的计算机中分析。 FAST 好比一把更密的筛网，能捞出宇宙中更多的漂流瓶。中国的工程专家是实现这一奇迹的功臣。