射电望远镜FAST调研报告

500m口径射电望远镜FAST调研报告

摘要随着射电天文学的发展, 高灵敏度的大口径射电望远镜成为射电观测的重要设备. 我国正在建设中的500m口径球面射电望远镜(FAST)将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜。本文详细介绍了FAST的情况，并对其可能的应用方向做出了设想与展望。

关键词射电天文；单口径射电望远镜；FAST

1 FAST简介

1.1 FAST工程的提出

1931年，美国贝尔实验室的央斯基用天线阵接收到了来自银河系中心的无线电波。随后美国人格罗特·雷伯在自家的后院建造了世界上第一架专门用于天文观测的射电望远镜，其本体为口径9.5米的天线，依靠这架射电望远镜，雷伯在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波，并且根据观测结果绘制了第一张射电天图，射电天文学从此诞生。射电天文学的诞生, 为以光学为传统的天文学翻开了新的一页。在之后的70年中，射电望远镜极大地推动的天文学的发展。20世纪60年代天文学取得了四项非常重要的发现：脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子都与射电望远镜有关。

FAST的全称为Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，即500m口径球面射电望远镜。1993年国际无线电联大会上, 包括中国在内的10个国家的天文学家提出建造巨型望远镜计划, 渴望在电波环境彻底毁坏前,回溯原初宇宙, 解答宇宙学提出的众多难题。在这一科学原动力驱使下, 各国研究团队开始了新一代巨型射电望远镜的工程概念研究, 筹建大口径射电望远镜以抢占制高点。自1994年起通过持续不断地探索,中国天文学家提出在贵州喀斯特洼地中建造500m口径球面射电望远镜FAST的建议和工程方案,以期实现射电望远镜在中国的跨越式发展[1]。

1.2 FAST系统介绍

FAST 为一架口径达500m的单口径射电望远镜，其利用贵州已有的喀斯特洼坑为台址，反射面能主动变形为。与国际已有的巨型单口径射电望远镜相比，有3项主要特色(1)利用贵州天然的喀斯特洼坑作为望远镜的台址；(2)洼坑内铺设直径为500m球冠状主动反射面, 观测中通过主动控制在观测方向形成300m 口径瞬时抛物面,将电磁波汇聚在焦点上，实现了用传统望远镜的接收技术进行宽频带观测；(3)采用轻型索拖动机构和并联机器人, 实现接收机的高精度定位和跟踪。FAST主要分为以下六个系统：

(i)台址勘查与开挖系统：对选定区域的地形、工程地质和水文地质环境等进行工程详细勘查。虽然台址洼地大窝凼的包络形状非常接近反射面球冠,但自然形成的洼地必须经过修整，所需开挖的土石方量超过100万立方米。洼地有良好的漏水性能，但为了确保当遭遇50年一遇的暴雨时望远镜底部机电设备没有水浸之虞，仍需要疏通与建造垂直水平泄洪通道。

(ii) 主动反射面系统：AST主动反射面的背架为钢索网结构。约6670根钢索编制成4300个尺寸为11m左右的三角形索网构形, 三角形顶点由节点连接，节点数量约2225个。索网之上铺设约4300 块边长约11m的反射面单元面板。观测时根据天文坐标和实时反射面形状测量，控制地面的卷索机构，通过下拉索驱动索网节点，使其位移以完成反射面的主动变形[2]。

(iii) 馈源支撑系统：在洼地周边山峰建6个百余米高的支撑塔，安装公里尺度的钢索柔性支撑体系及其导索、卷索机构，以实现馈源舱的一级空间位置调整。馈源舱尺度约15m，内装AB 轴转向机构和并联机器人用于二级调整，实现馈源10mm空间定位精度[3]。建造地面至馈源舱之间的动力和信号通道及健康监测系统。该系统还包括防雷、索应力监测、紧急状况预防和应变设备。

(iv) 测量与控制系统：FAST主要结构在观测时几乎都在运动，主反射面和馈源之间无刚性连接，远距离、高采样率、高精度的测量与控制是成功的关键。该系统涉及毫米级精度基准网建设，GPS和激光跟踪仪对照明区内1000个控制点实时测量。需建设大规模现场总线，实现反射面的主动变形控制；发展先进的动态解耦控制技术，实现接收机的空间定位。

(v) 接收机与终端系统：FAST将通过国际合作研制多波段馈源和接收机，

覆盖70 MHz—3 GHz的频率范围，并研制接收机工作状态监视和故障诊断系统。初步设计的接收机共9套，核心为L波段的19波束馈源接收机。首先馈源接收由主反射面汇聚的电磁波。随后低噪音前置放大器把信号放大到足够水平，再由射频放大器、混频器和中频滤波器对信号做进一步处理得到中频信号，最后中频信号经光纤传输至地面观测室内的数据处理终端。

(vi) 观测基地建设系统：观测基地主要用于支持望远镜的运行、观测和维护，并满足FAST工作人员的工作与生活需要。根据需要，观测基地包括综合楼、维修厂房和分散在基地及反射面周围的零星建筑。

1.3FAST技术指标

FAST总体技术指标如图1所示。

图1

2 FAST应用展望

FAST建成后将成为世界上最大的单口径射电望远镜，并且其将在接下来的至少20年内保持世界领先地位，可以预见，FAST不仅将回答人类关于天文方面的诸多问题，而且对人与自然方面也将产生巨大的作用。基于FAST的性能特点，本文给出了以下几方面可能的应用：

2.1中性氢观测

氢是宇宙间最简单、最丰富的元素，它与大爆炸几乎同龄。“宇宙的百科全书是用微弱的21cm氢谱线写成的，要阅读它需要非常灵敏的望远镜。”其观测究将回答星系及星系团演化与成因、暗物质空间分布及宇宙低峰扰动等天文学热点问题[4]。

星系的演化效应只有在红移0.3或更大时才开始变得明显，大质量星系可

能在z > 2 时才开始形成，目前发现的最年轻类星体在z = 6~7，将中性氢的观测距离延伸至z = 0.3甚至更远的宇宙空间，才能真正构造星系演化的图像。FAST 1 h 的积分观测可将宇宙探测距离延伸到红移0.7；对那些处于活动星系周围壳层中的高密度暖氢云，FAST可回溯至红移3的宇宙距离。

我们观测到的最遥远宇宙，即宇宙微波背景辐射是z ≈1100 的背景光子最后散射面，在z = 6~7 观测到最早期发光的天体，而对这期间漫长暗纪的宇宙演化一无所知。FAST有独一无二的安静电波环境、高品质的接收机、几乎不受衍射限制的巨大口径以及振子天线的低旁瓣水平。根据理论分析和仿真对EoR 源给出了一些空间性质预测，我们指望FAST 有探测到第一代天体的幸运。

2.2成为VLBI 网主

受口径衍射限制的天文望远镜分辨率θ ≈ λ/D。对射电天文望远镜，其工作波长为光学的几百万倍，若想获得与光学相当的分辨率，就得把这口‘大锅’做成几百公里甚至地球那么大，这是难以想象。射电天文学对望远镜分辨率的追求，最终发展成今天的甚长基线干涉测量VLBI。加入VLBI的两面天线可以隔洲跨洋，其角分辨率θ = λ /B, 基线B可以有地球直径那么长，如果将天线送至太空将更长，现代全球VLBI网的分辨率已突破毫角秒，比其他所有的天文波段的分辨率至少高3个数量级。

国际VLBI网有欧洲网EVN、美国网VLBA和亚太网APT等.。主要单元天线口径在20~40m,最大的单元100m。如果500m 口径的FAST加入，由于它巨大的接收面积和地处所有联测网边缘的地域优势，可将基线检测灵敏度提高10 倍，可成图的目标数增加1000倍，成为国际VLBI 网俱乐部的‘网主’。由FAST、地面100m天线和空间10m左右天线构成的VLBI系统，其灵敏度也将比现有的设备提高0.5~1个数量级。有可能以优于0.1个日地距离分辨本领，获得少数热谱源精细图像，研究恒星类天体的形成与演化。甚至直接为近邻双星系统和太阳系外行星成像。

2.3脉冲星观测

脉冲星是极端物理条件下的实验室，是“星际介质的探针”。理论估计银河系中应有脉冲星6万颗，已发现的大约为3%，脉冲星的深度巡视会提供众多的发现机遇。最初发现的100颗全部是正常脉冲星，且全部是单星。当发现脉冲星