500米口径球面射电望远镜

坐落在中国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县的射电望远镜

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]

500米口径球面射电望远镜
FastTelescope*8sep2015.jpg
建设中的FAST,摄于2015年9月
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]
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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历史编辑

 
建造中的FAST。

這架望遠鏡在1994年首度提出,在2007年7月國家發展及改革委員會批准此一專案[6][7]。經過考察,望远镜的建设定点定在大窝凼村,村民随即搬迁[8];为了避开电磁破干扰,居住在望遠鏡半徑5公里內的9,110位居民亦被搬遷[8][9]。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、非法居留,不給予補償[10]。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[11]

FAST项目主要由中国科学院国家天文台研究员南仁东负责,他担任首席科学家和工程师。在2008年12月26日,在施工現場舉行了奠基儀式[12],2011年3月開工建設[13][14],最後一個面板在2016年7月3日上午安裝[8][14][15][16]。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[17]

最初的預算是人民幣7億元[2]:49[13],最終的造價是人民幣12億元(1.8億美元)[8][18]。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)[7]。主鏡制動器的故障率是依然存在的問題[7]

2016年9月25日開光,開始測試和調適設備[19]。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[7]。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[20],以使主動表面達到其設計精度[21]。校準各種儀器需要三年的時間,之後就會全面投入運行[19]

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[22]。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[23]

2020年1月11日,FAST通过验收,正式开放[24]

回顧编辑

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[8]每邊長約11米(36英尺)的三角形[25]組成測地線圓頂英语Geodesic dome的形式。位於下方的2,225個絞車[7]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[26]

 
"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"[14]: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[14]:13,使指向精度可以高達8弧秒[2]:24[6]: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[27][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)[14]:13。因此,這個名稱有可能被認為是錯誤的:口徑不是500米,也不是球面。

它的工作頻率在70MHz至3.0GHz[28],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[29]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[30]

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[31]

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[32]

  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[33]

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[34]

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
 
FAST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[26][35][36]

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[26]。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[37]

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[26]:3。天線安裝在平台下方的旋轉臂上[26]: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[38]

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)[14]: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)[26]: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。[39] 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。[40]

项目进程编辑

 
2015年8月FAST正在興建
  • 1994年4月,预研究及贵州选址工作启动[41]
  • 2007年7月,FAST项目正式立项[41]
  • 2011年3月25日,FAST工程正式开工建设[41]
  • 2012年12月31日,台址开挖主体工程竣工[41]
  • 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。[42]
  • 2014年11月30日,馈源支撑塔建成[41]
  • 2015年2月4日,大跨度索网安装工程完成[41]
  • 2015年8月2日,第一块反射面单元成功吊装[41]
  • 2015年11月21日,馈源舱成功起舱进入联调阶段[41]
  • 2016年7月3日,FAST望远镜主体工程完成[41][43][44]
  • 2016年9月25日,FAST望远镜正式開光,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[45][46]),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。[47]
  • 2017年底,預計首批觀測數據公佈[48]

人力编辑

專案背後的主要推手是[7]中國科學院轄下,中國國家天文台的研究員南仁東。他擔任這個專案的首席科學家[16]和總工程師[7]。他於2017年9月15日因肺癌病逝於波士頓[49]

學院一直難以為望遠鏡尋找到工作人員[18][50]。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[51]。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[18][50]

自2017年5月以來,學院一直在為FAST尋找合適的科學運總監,但一直未能填補這個職缺[52][18][50]。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[50]

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。[53]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。[54]

参见编辑

参考资料编辑

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外部链接编辑