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来源：赛老师

提及中国“天眼”，各人大概都听说过。前几天我打车回国度天文台，老司机一上来就很兴奋地问我：“您是天文台的？贵州谁人天眼望远镜是你们的吗？”我颇有些自豪地说：“对对，就是我们单元牵头建的。五百米口径，现在是世界最大。”然后司机就乐了：“五百米！真了不得！这么大的望远镜，是不是能看得最远？晚上能看到许多星星吧？你们都看到了些什么好玩的？” 老司机的“灵魂三问”很直白，但答案却没那么简朴。那么简朴。

在回答这三个问题之前，我们先来先容一下天眼吧：

“天眼”望远镜，天文学家一般叫它FAST，是英文Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope的简称，中文是500米口径球面射电望远镜。其中，500米是指FAST这口“锅”锅沿的直径，球面是说“锅底”的形状是个球面而非抛物面，而射电则是它的事情波段，也就是说它主要用来吸收无线电波。

FAST目前是世界上最大的单镜面射电望远镜，而在此之前的世界纪录保持者是位于美属波多黎各的阿雷西博（Arecibo）射电望远镜，口径305米。FAST跟阿雷西博一样，都是建在喀斯专程形的大坑内里。FAST基础硬件的建设用了五年，而整个项目从最初的想法到末了验收，则历时二十多年之久。

1993年9月，国际无线电科学同盟第二十四届大会在日本东京召开，与会天文学家提出要在地球射电情况进一步恶化之前，尽快建设新一代的大射电望远镜（Large Telescope， 简称LT）。“天眼”之父南仁东老师并没有到场此次集会，但是他相识到详情之后，对这个项目产生了极大的兴趣，希望这个大望远镜能花落中国。

这也许就是建设FAST的最初动力。这个LT项目厥后更名叫平方公里阵（Square Kilometer Array，简称SKA），也就是总吸收面积可达1平方公里的望远镜阵列。随着南仁东等人的积极推动，设计建在贵州喀斯专程形中的一批200米到300米的射电望远镜成为了SKA的候选计划之一。

贵州的喀斯专程形不光形状合适，地下排水容易，不会因暴雨积水，而且阔别多数会的信号滋扰，是制作这种大型射电望远镜的绝佳台址。其余三个候选计划各有差别，其台址分别位于澳大利亚、南非和南美。由于是多国互助的大型望远镜项目，制作国之间的竞争非常猛烈。2006年9月，SKA计划推进事情委员会排除了中国和南美的计划。现在的SKA计划选择同时建在澳大利亚和南非，并采取成百上千面小型射电望远镜阵列的情势。

虽然未能入选SKA，南仁东的大型射电望远镜设计理念却得到了许多顶级科学家的支持，并于2007年7月在中国发改委正式立项，成为中国自己主导设计和建设的大型望远镜项目。2011年3月25日，FAST工程正式在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼动工。五年后，2016年9月25日，FAST完工启用。在颠末三年半的调试期后，2020年1月11日FAST通过国度验收，正式进入运行阶段。

FAST最引人注目的，起首自然是它的“大”。也许从上面的照片上并不容易感知它的巨细，现实上我第一次走近FAST的时候，也是有一些扫兴的，由于它看起来并不如想象中的大。不外若是走到它的圈梁上，走完一圈需要多半个小时（PS：直径500米，你能算出它的周长吗？咱们评论见！），而从这口“大锅”的锅沿走到锅底，则要一两个小时的时间。这时才会从心底赞叹于它的巨大。

现实上，FAST巨大的口径并不是为了外表看起来更酷，而是为了能看到更弱更远的信号。望远镜的主要原理是将迢遥天体发射过来的信号网络起来汇聚到一个点上。由于天体过于迢遥，它发射到地球上的信号相当于是平行光，基本是匀称漫衍的，因此望远镜口径越大，它所能网络的信号也就越多，其网络信号的能力与望远镜的面积（注意不是口径）成正比。

FAST的有用口径是300米，阿雷西博望远镜（非线天线）的有用口径约莫是200米，美国的绿岸望远镜（Green Bank Telescope）是100米，因此FAST的集光能力约莫是阿雷西博的2倍，绿岸望远镜的9倍（再PS：想一想，为什么不是3倍？）。而且即便是未来的SKA一期中频（350 - 4000 MHz）部门的吸收面积也是比不上FAST的。

射电望远镜的“大锅”卖力网络迢遥天体发射过来的射电信号，然后把这些信号反射搜集到一点，由位于这个点上的吸收机来转化成电信号并传送到四周机房里的终端仪器举行进一步分析。一般小型的望远镜镜面都是抛物面，由于抛物面有个很好的特性，就是可以把平行光汇聚到它的焦点上。然而阿雷西博和FAST由于过于巨大，不可能做成可转动的抛物面，因此它们的反射面都接纳了更容易制作的球面，而球面是没有焦点的，也就是说它虽然能起到一定的搜集作用，却无法将网络到的光子汇聚到一点。

为相识决这个问题，阿雷西博在望远镜的上面加了一个格里高利反射体系（Gregorian reflector system），将颠末球面主镜（也就是大锅）反射过来的光再经两次反射来汇聚到一点。当观测天上差别位置的天体时，只需移动这个体系即可。这个要领比力简朴，在光学望远镜中也有许多成熟的应用。但是阿雷西博的这个反射体系很粗笨（图2中悬在上方的那一大坨），整个平台约莫有900吨重，它挡住了“锅面”上相当大的一部门，如许的光路造成了许多分外的滋扰。

而FAST则使用了一种思绪上越发直接的措施，那就是在观测时改变“大锅”的形状，将它酿成抛物面。不外这种措施做起来却很有难度：由于地球的自转，天上的天领会不停地自西向东移动，因此如果要盯着同一个天体长时间观测的话，这个抛物面就得不停的改变偏向以正对着目标天体，而实时准确地改变几百米大的反射面又谈何容易。

FAST的大锅由四千多块三角形的面板组成，这些面板拼起来共有两千多个节点，每个节点上都装了一个促动器（图4中的黄色推杆）毗连在地面上。这些促动器由电脑控制，在观测的历程中不停的拉动面板，将正对目标天体的那部门面板调解成合适的抛物面形状。因此FAST在观测历程中现实上只用了部门面板，而这部门面板的口径是300米。

FAST所要观测的射电信号波长最小可到厘米量级，因此面板移动的精度必须控制在1厘米以内。为了包管抛物面的形状能到达足够的精度，FAST在反射面板上装了许多反射镜来帮助实时丈量面板位置以便举行实时调解。这些反射镜会反射丈量基墩上发出的测距激光束，我们便可通过丈量激光的反射时间来准确丈量它们的位置（图5）。

FAST由于有了实时变更的抛物面反射镜，便不需要分外的纠正体系来将信号汇聚到一点，因此只需将轻的多的吸收机定在焦点上即可。FAST周边直立了六个巨型金属塔，在这六个塔上分别伸出六根钢索吊住中心的馈源仓（见图6，就是放吸收机的地方）。如许的馈源支持体系轻盈的多，也减少了许多光路上的滋扰。

FAST在观测的时候，会根据天体的位置不停地调解馈源仓的位置和反射面的形状，以包管其信号会被完善地汇聚到馈源仓内的吸收机上（图7）。

上面说了这么一堆，基本意思就是FAST是我国自主制作的望远镜，它口径巨大，集光能力世界一流，而且有一些黑科技来确保其观测精度。让我们再回到最初老司机的“灵魂三问”：

Q1：FAST口径最大，是不是能看得最远？

FAST是现今世界上最大且最灵敏的单镜面射电望远镜，但却不一定是看得最远的望远镜。望远镜能看多远不光与它的巨细有关系，还与要看的工具有多“亮”有关。FAST的设计事情频率是70-3000MHz，与收音机及手机信号的频率类似，而大多数最迢遥的天体在这个频段并不是很亮。

因此虽然FAST灵敏度很高，实在并不见得能比其它波段的望远镜看得更远。迄今发明的最迢遥的一批天体多数是星系和类星体，它们险些都是光学和红外望远镜发明的。不外若是在其事情频段内，FAST肯定看得最远。

Q2：用FAST能看到许多许多星星吗？

夜空中绝大多数肉眼能看到的星星在射电频段发出的辐射也是非常微弱的，以是FAST在看恒星方面并不是特别善于。而且FAST所在的区域虽然夜晚光污染不多，但时常会下雨，雨水并不会对射电波段的观测造成很大影响，但是夜空中的繁星在阴雨天气中就无法看到了。不外，若是能碰上晴朗的夜晚，也是有时机用肉眼享受美丽的星空的（图8）。

Q3：FAST到底能看什么？

这个问题现实上也是天文学家们最体贴的。FAST于本年5月份正式公然征集观测计划，将2020年8月至2021年7月期间约莫40%的时间拿出来用于天下的科学家自由观测申请。在此之前，FAST科学委员会已经遴选并启动了五项FAST优先和重大项目，并将50%的观测时间用于这些项目的观测。这些项目基本上代表了FAST最善于，而且也最容易看出结果的偏向。

这五个大项目分别是：

（1）多科学目标漂移扫描同时巡天（CRAFTS； Li et al。 2018）

（2）银道面脉冲星巡天

（3）脉冲星测时

（4）M31中性氢成像和脉冲星征采

（5）快速射电暴

前四类项目基本可以总结为看脉冲星和中性氢谱线，而末了一个则是新兴的一种暂现源。下面我们分别来解说一下这三个部门：

脉冲星

脉冲星是一种比力极度的天体，一般认为它是由中子星的快速旋转所造成的电磁脉冲信号。FAST在其调试期间便已经开始了脉冲星观测。2017年8月22日，FAST探测到了它的第一颗新脉冲星（图9），而至今为止，已经确认探测到了100多颗新脉冲星，整个巡天预期将会发明上千颗新的脉冲星。

除了发明新的脉冲星以外，对脉冲星发射的脉冲举行测时也非常紧张。一般来讲，脉冲星的脉冲周期是非常准时的，通过对脉冲星连续的测时，研究这些脉冲周期的变化，不仅可以探知脉冲星内部的物理结构，甚至可以探测宇宙空间内的配景引力波。

中性氢

中性氢就是氢原子，结构非常简朴，就一个质子加一个电子，但它是宇宙中含量最多的原子。像银河系以及隔邻的仙女星系如许的星系中，到处都弥漫着中性氢原子，它是星系内气体的紧张组成部门，也是产生太阳以及夜空中其他闪亮恒星的原质料。

氢原子会发出一种很有特点的谱线，是由它的质子和电子的自旋相互作用产生的，这种谱线的能量很低，波长是21厘米，因此也叫21厘米线，换算成频率则是1420 MHz，正幸亏FAST观测频率范围之内。21厘米线的观测可以告诉我们银河系内以及众多河外星系里中性氢的含量，而这是在别的波段险些无法丈量的。因此这个波段也受到人们的特别掩护，一般的人造信号是不允许使用这个频率的。

之前阿雷西博也曾经做过中性氢巡天，只不外观测的天区比力小，其河外中性氢巡天约莫扫过了整个天空的1/6，共探测到了三万多个河外星系，间隔基本都在8亿光年以内（Haynes et al。2018）。这已经是现今最深的大面积河外中性氢巡天了。而FAST的漂移扫描巡天计划观测约莫整个天空的1/2，预期能看到几十万个河外星系，最远间隔可达10-60亿光年。

大范围地同时征采中性氢和脉冲星信号，现实上是一个很有雄心的计划。阿雷西博当年的脉冲星和中性氢巡天是分开举行的。这种新的同时征采的技能手段将大大加速巡天的速率。

快速射电暴

快速射电暴是一个新兴的热门领域。快速射电暴是一种非常强盛的射电发作，它在几个毫秒到几十毫秒内能开释出相当于太阳在一整天内开释的能量。自从2007年邓肯·洛里默（Duncan Lorimer）和他的学生大卫·纳科维奇（David Narkevic）发明了第一个快速射电暴事件之后（Lorimer et al。 2007），这个领域也迅速走红。这些年来，快速射电暴事件一共发明了几百例，但它们的起源仍是一个谜。2018年11月，FAST发明了第一个新的快速射电暴FRB181123（Zhu et al。 2020）。后续更多的FAST观测也许会为我们展现出它的答案。

外星人？

除了以上紧张的科学问题以外，另有一个很让人纠结的问题：FAST能不能探测到外星人？我们这里暂不讨论有没有外星人的问题，只来思量另一个相干问题：如果有外星人，而且他们已经建立了相当高级的外星文明，那么，用什么手段最容易探测得到他们？

要探测这些文明的信号，就要找到一个在太空流传历程中最不容易衰减的波段，而射电波段正好切合这个要求。另外，射电波段的信号也更容易携带文明的“技能特性”，好比我们平时用于远间隔通讯的手机、卫星天线等等都用的是射电波段。当年乔丝琳·贝尔（Jocelyn Bell）最初发明脉冲星信号的时候，就怀疑过那是外星“小绿人”发射过来的信号，由于这些脉冲的周期太整齐了，非常像人为的信号。

在小说《三体》中，叶文洁与三体人的打仗也是通过“红岸”基地发射的射电信号，从而将地球袒露在了三体文明的威胁之下。FAST作为现今最灵敏的射电望远镜，也许确实是最有希望探测到外星文明信号的装备之一。不外各人可以放心，FAST只有吸收天线，并没有发射雷达，即便探测到外星文明也暂时不可能发射信号去接洽他们。

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