自2016年落成以來，F(xiàn)AST（500米口徑球面射電望遠鏡，被譽為“中國天眼”）已在銀河系內捕獲超過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，令全球天文學家為之傾倒。

然而，一個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挑戰(zhàn)，如索網疲勞、饋源艙精確定位、反射面主動變形等，為何不建造多個小型射電望遠鏡，通過合成孔徑技術來實現(xiàn)等效的大口徑效果呢？單個“巨無霸”，究竟比一群“小眼睛”強在哪里？它又有哪些不可替代的“獨門絕技”？

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，是中國天文學家對400多個候選洼地反復篩選，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，同時利用周邊山地屏障隔離無線電干擾。

坐落于山間的FAST望遠鏡

（圖片來源：FAST運行和發(fā)展中心）

FAST的建設史是一部人類挑戰(zhàn)工程極限的史詩：

索網結構：6670根主索編織成全球跨度最大的主動變位索網，鋼索疲勞性能需達當時國標的2.5倍。科研團隊耗時約2年創(chuàng)新鋼索制造工藝，最終使鋼索能承受500兆帕應力幅（相當于一根頭發(fā)絲要反復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[[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個促動器牽拉索網，能在觀測時實時形成300米口徑的瞬時拋物面，精度控制在毫米級。

饋源艙驅動系統(tǒng)：30噸重的饋源艙由6根鋼索懸吊于140米高空。采用“粗調懸索+AB軸機構+精調Stewart平臺”的三級控制，使饋源這個“宇宙信號收集器”能在復雜的野外環(huán)境中穩(wěn)定定位，使其位置誤差不超過10毫米，實驗值可達4.8毫米（參考文獻[2]）。

正是這些令人嘆為觀止的技術突破，才讓這只“觀天巨眼”得以睜開。

懸掛在半空中的FAST望遠鏡饋源艙

（圖片來源：FAST運行和發(fā)展中心）

單鏡VS陣列：捕捉宇宙信號的本質差異

要理解FAST為何需要“大”，首先要明白射電望遠鏡的核心能力取決于兩個關鍵維度：靈敏度和空間分辨率。

靈敏度決定了望遠鏡能“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，從而能聽到更細微的聲響。而空間分辨率則決定了望遠鏡能“看清”多精細的結構，這取決于望遠鏡的口徑（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源。

通常來說，在相同接收面積下，單口徑射電望遠鏡的靈敏度更高，射電望遠鏡陣列（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鏡陣列性能對比

（部分信息來源于參考文獻[3][4][5][6][7][8][9][10][11]）

FAST的靈敏度比阿雷西博望遠鏡（305米）高2.5倍，比百米級望遠鏡高10倍以上。陣列雖能通過長基線實現(xiàn)超高分辨率（如 VLBI 網，它通過將多臺望遠鏡分散在全球范圍內，讓它們同步聚焦于同一目標進行觀測，隨后對采集到的數據實施干涉合成處理，最終實現(xiàn)了等效口徑與地球直徑相當的超高分辨率觀測能力），但陣列望遠鏡在處理信號時會損失一定靈敏度（參考文獻[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”。

正如FAST首席科學家朱煒瑋所言：“FAST的靈敏度比百米望遠鏡高一個數量級，這是陣列在探測暗弱點源方面難以企及的優(yōu)勢”（參考文獻[13]）。

未來之路：單鏡與陣列的融合進化

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”，計劃在周邊5公里內建設24臺40米望遠鏡（參考文獻[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：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”；二是彌補分辨率短板。小望遠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[15]）；三是實現(xiàn)能力倍增。同時實現(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運行和發(fā)展中心）

結語

FAST憑借相對較低的造價和維護成本，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)略價值，正是單口徑巨型望遠鏡的獨特意義所在。

在人類探索宇宙的征途上，F(xiàn)AST如同一位獨坐深海的釣者。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。當陣列望遠鏡像穿針引線般盯住天空，追求看清結構的細節(jié)時，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、最轉瞬即逝的宇宙漣漪。因為那里，可能正隱藏著關于生命起源、暗物質與暗能量本質、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奧秘的、不可替代的底氣。

參考文獻：

[1] 孔旭，姜鵬，王啟明.FAST主動反射面索網結構參數變化對索力的影響分析[J].天文研究與技術，2015,12(2):159-165.

[2] 姚蕊, 李慶偉, 孫京海, 等. FAST望遠鏡饋源艙精度分析研究[J]. 天文研究與技術, 2015, 12(2): 166-172.

[3] Chen, X. Y., et al. (2023)."Dwarf Pulses from PSR B2111+46 Discovered by FAST: Implications for Pulsar Emission Models"The Astrophysical Journal Letters, 958(1), L12.

[4] Zhang, B. (2020). The physical mechanisms of fast radio bursts. Nature, 587 (7832), 45-53.

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[9] Nan, R.D., Li, D., Jin, C., & FAST Project Team. (2011). The Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) Project.International Journal of Modern Physics D, 20(06), 989-1024.

[10] Thompson, A. R., Moran, J. M., & Swenson, G. W. (2017).Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy (3rd ed.). Springer.

[11] Heywood, I., de Bruyn, A. G., Kramer, M., Staveley-Smith, L., & SKA Design Study Team. (2019). The Square Kilometre Array (SKA) Phase 1 design.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 486(2), 2283–2306.

[12] Smits, R. et al. (2009). Pulsar searches and timing with the Square Kilometre Array. Astronomy & Astrophysics, 493 (3), 1161-1170.

[13] Zhu, W. W. (2021). Pulsar science with the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 64 (5), 259601.

[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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