自2016年落成以來，F(xiàn)AST（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，被譽(yù)為“中國天眼”）已在銀河系內(nèi)捕獲超過1000顆脈沖星，其中包含人類迄今所知的最暗弱脈沖星。FAST的靈敏度，令全球天文學(xué)家為之傾倒。
然而，一個(gè)根本性問題常常被提出：既然建造500米口徑的“天眼”面臨如此艱巨的技術(shù)挑戰(zhàn)，如索網(wǎng)疲勞、饋源艙精確定位、反射面主動變形等，為何不建造多個(gè)小型射電望遠(yuǎn)鏡，通過合成孔徑技術(shù)來實(shí)現(xiàn)等效的大口徑效果呢？單個(gè)“巨無霸”，究竟比一群“小眼睛”強(qiáng)在哪里？它又有哪些不可替代的“獨(dú)門絕技”？
截至2024年10月，F(xiàn)AST新發(fā)現(xiàn)脈沖星已超1000顆。
（圖片來源：中國科學(xué)院國家天文臺）
“巨眼”誕生：喀斯特洼坑中的工程奇跡
在貴州層巒疊嶂的喀斯特大山中，一口直徑500米的“大鍋”靜臥于大窩凼洼地。FAST選址背后，是中國天文學(xué)家對400多個(gè)候選洼地反復(fù)篩選，最終找到最適合作為FAST臺址的天然喀斯特洼坑，可將土石方工程量減少到最低，同時(shí)利用周邊山地屏障隔離無線電干擾。
坐落于山間的FAST望遠(yuǎn)鏡
（圖片來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）
FAST的建設(shè)史是一部人類挑戰(zhàn)工程極限的史詩：
索網(wǎng)結(jié)構(gòu)：6670根主索編織成全球跨度最大的主動變位索網(wǎng)，鋼索疲勞性能需達(dá)當(dāng)時(shí)國標(biāo)的2.5倍?？蒲袌F(tuán)隊(duì)耗時(shí)約2年創(chuàng)新鋼索制造工藝，最終使鋼索能承受500兆帕應(yīng)力幅（相當(dāng)于一根頭發(fā)絲要反復(fù)承受一輛小轎車的重量拉扯 —— 頭發(fā)絲的橫截面積極小，而小轎車的重量集中在這極小的面積上，每一次拉扯的“力度差”都大到驚人）、200萬次疲勞加載（參考文獻(xiàn)[[1]]）。
主動反射面：4450塊三角形反射面板組成可變形鏡面。通過2225個(gè)促動器牽拉索網(wǎng)，能在觀測時(shí)實(shí)時(shí)形成300米口徑的瞬時(shí)拋物面，精度控制在毫米級。
饋源艙驅(qū)動系統(tǒng)：30噸重的饋源艙由6根鋼索懸吊于140米高空。采用“粗調(diào)懸索+AB軸機(jī)構(gòu)+精調(diào)Stewart平臺”的三級控制，使饋源這個(gè)“宇宙信號收集器”能在復(fù)雜的野外環(huán)境中穩(wěn)定定位，使其位置誤差不超過10毫米，實(shí)驗(yàn)值可達(dá)4.8毫米（參考文獻(xiàn)[2]）。
正是這些令人嘆為觀止的技術(shù)突破，才讓這只“觀天巨眼”得以睜開。
懸掛在半空中的FAST望遠(yuǎn)鏡饋源艙
（圖片來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）
單鏡VS陣列：捕捉宇宙信號的本質(zhì)差異
要理解FAST為何需要“大”，首先要明白射電望遠(yuǎn)鏡的核心能力取決于兩個(gè)關(guān)鍵維度：靈敏度和空間分辨率。
靈敏度決定了望遠(yuǎn)鏡能“看到”多暗弱的光源，這一能力直接取決于有效接收面積，面積越大，捕獲的電磁波越多，就像一只更大的耳朵能夠收集到更多聲波，從而能聽到更細(xì)微的聲響。而空間分辨率則決定了望遠(yuǎn)鏡能“看清”多精細(xì)的結(jié)構(gòu)，這取決于望遠(yuǎn)鏡的口徑（或等效口徑），口徑越大，分辨率就越高，能區(qū)分天空中靠得更近的點(diǎn)源。
通常來說，在相同接收面積下，單口徑射電望遠(yuǎn)鏡的靈敏度更高，射電望遠(yuǎn)鏡陣列（如國際平方公里陣列SKA）的空間分辨率更高。
國際平方公里陣列（SKA）中頻陣局部概念圖
（圖片來源：wikipedia）
具體到FAST望遠(yuǎn)鏡與相同接收面積陣列，兩者具體差別見下表。
FAST與相等接收面積望遠(yuǎn)鏡陣列性能對比
（部分信息來源于參考文獻(xiàn)[3][4][5][6][7][8][9][10][11]）
FAST的靈敏度比阿雷西博望遠(yuǎn)鏡（305米）高2.5倍，比百米級望遠(yuǎn)鏡高10倍以上。陣列雖能通過長基線實(shí)現(xiàn)超高分辨率（如 VLBI 網(wǎng)，它通過將多臺望遠(yuǎn)鏡分散在全球范圍內(nèi)，讓它們同步聚焦于同一目標(biāo)進(jìn)行觀測，隨后對采集到的數(shù)據(jù)實(shí)施干涉合成處理，最終實(shí)現(xiàn)了等效口徑與地球直徑相當(dāng)?shù)某叻直媛视^測能力），但陣列望遠(yuǎn)鏡在處理信號時(shí)會損失一定靈敏度（參考文獻(xiàn)[12]）。陣列能通過拉長基線“看清更小東西”，而FAST能“看到更暗弱目標(biāo)”。
正如FAST首席科學(xué)家朱煒瑋所言：“FAST的靈敏度比百米望遠(yuǎn)鏡高一個(gè)數(shù)量級，這是陣列在探測暗弱點(diǎn)源方面難以企及的優(yōu)勢”（參考文獻(xiàn)[13]）。
未來之路：單鏡與陣列的融合進(jìn)化
FAST并非完美——單口徑分辨率不及綜合孔徑陣列。為此，2024年9月啟動的“FAST核心陣工程”，計(jì)劃在周邊5公里內(nèi)建設(shè)24臺40米望遠(yuǎn)鏡（參考文獻(xiàn)[14]），形成“主鏡+陣列”混合系統(tǒng)。
該混合系統(tǒng)主要有三重目標(biāo)：一是保留核心優(yōu)勢。FAST主鏡提供超高靈敏度，作為“信號收集心臟”；二是彌補(bǔ)分辨率短板。小望遠(yuǎn)鏡與主鏡形成超長基線，將角分辨率提升至毫角秒級（參考文獻(xiàn)[15]）；三是實(shí)現(xiàn)能力倍增。同時(shí)實(shí)現(xiàn)“見微知著”（探測暗弱信號）與“明察秋毫”（高分辨率成像），成為兼?zhèn)涓哽`敏度和高分辨率的終極利器。
FAST核心陣工程概念圖
（圖片來源：FAST運(yùn)行和發(fā)展中心）
結(jié)語
FAST憑借相對較低的造價(jià)和維護(hù)成本，獲得了超高的靈敏度，發(fā)現(xiàn)了大量脈沖星，取得了前所未有的科研成果——這種“以小博大”的戰(zhàn)略價(jià)值，正是單口徑巨型望遠(yuǎn)鏡的獨(dú)特意義所在。
在人類探索宇宙的征途上，F(xiàn)AST如同一位獨(dú)坐深海的釣者。它的鋼索是釣線，饋源支撐系統(tǒng)是釣竿，而反射面和饋源艙則是敏銳的浮漂。當(dāng)陣列望遠(yuǎn)鏡像穿針引線般盯住天空，追求看清結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)時(shí)，F(xiàn)AST始終以極致的靈敏度，靜靜地守候在宇宙的深海，專注地垂釣著那些最微弱、最遙遠(yuǎn)、最轉(zhuǎn)瞬即逝的宇宙漣漪。因?yàn)槟抢?，可能正隱藏著關(guān)于生命起源、暗物質(zhì)與暗能量本質(zhì)、極端物理規(guī)律乃至地外文明存在的終極答案。
這只“中國天眼”的“大”，正是它叩問宇宙最深?yuàn)W秘的、不可替代的底氣。
參考文獻(xiàn)：
[1] 孔旭，姜鵬，王啟明.FAST主動反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對索力的影響分析[J].天文研究與技術(shù)，2015,12(2):159-165.
[2] 姚蕊, 李慶偉, 孫京海, 等. FAST望遠(yuǎn)鏡饋源艙精度分析研究[J]. 天文研究與技術(shù), 2015, 12(2): 166-172.
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[14] National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences (NAOC) Press Release. (2024). FAST Core Array (FEA) Project Kick-off.
[15] Jiang, P. (2024). Hybrid Aperture Concepts for Next-Generation Radio Telescopes: The FAST Enhanced Assembly. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (in press).
出品：科普中國
作者：手持雙筒C11（貴州射電天文臺）
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