中国天文科学大型装置的研制与应用_三_500米口径球面射电望远镜_FAST

大

科

学

装

置

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中国天文科学大型装置的研制与应用（三）

———500米口径球面射电望远镜（FAST）

*

中国科学院国家天文台中国科学院基础科学局

（北京（北京

100012)100864)

关键词重大科技基础设施，米口径球面射电望远镜

500

1

科学背景

射电天文学利用射电望远镜在无线电

波段“观察”天体。传统射电望远镜的基本结

构有个主要部分———反射面、接收机和指

3

向装置。来自太空天体的无线电信号极其微

弱，年来所有射电望远镜收集的能量还

70

翻不动一页书。阅读宇宙边缘的信息需要大

口径望远镜，由于自重和风载引起的形变，

传统全可动望远镜的最大口径只能做到

球冠反射面在射电电源方向形成米口

300

径瞬时抛物面，使望远镜接收机能与传统抛

物面天线一样处在焦点上；采用轻型索拖

③

动机构和并联机器人，实现接收机的高精度

定位。

FAST

突破了射电望远镜的百米极限，

开创了建造巨型射电望远镜的新模式。它拥

有个足球场大的接收面积，将是国际上

30

最大的单口径望远镜。与号称“地面最大的

机器”的德国波恩米望远镜相比，灵敏

100

度提高约倍；与排在阿波罗登月之前、被

10

评为人类世纪大工程之首的美国

2010

100

米。

由中国天文界提出建造的世界最大的

单口径射电望远镜———米口径球面射

500

电天文望远镜（—

FASTFive-hundred-meter

Arecibo300

米望远镜相比，其综合性能提高

约倍。作为世界最大的单口径望远镜，

10

ApertureSphericalradioTelescope

）采用了全

新的设计思路

并拥有项自

3

主创新：利

①

用贵州天然的焦比

喀斯特洼坑作

为台址；洼

②

坑内铺设数千

块单元组成

球反射面半径，口径，球冠张角—

有效照明口径

天空覆盖天顶角，可跟踪时间—

工作频率—

灵敏度（波段）天线有效面积与系统噪声温度之比，

LA/T～2000m

多波束（波段）个

L19

换源时间

跟踪精度

FAST

的主要技术参数

R≈300mD≈500mθ≈110°120°

Deff=300m

0.467

40°46h

70MHz3GHz

2

/K

系统噪声温度

T～20K

<10min

8″

500

米球冠状

主动反射面，

*本文由国家天文台FAST工程办公室主任张蜀新研究员（E-mail:zsx@），基础科学局彭子龙共同组织

撰写

修改稿收到日期：2009年10月20日

670

2009年

..

第24卷第6期

500FAST

米口径球面射电望远镜（

）

FAST2030

将在未来—年保持世界一流设

备的地位。主持召开了“项目国际评估与咨询

年月日院长办公会决议，基础科学局

114

FAST

会”。与会专家高度评价了的科学意

FAST

义和技术创新性，肯定了关键技术的

FAST

可行性，并建议尽快立项建设：“精良装备的

2FAST

工程历程

1993

年国际无线电联大会上，包括中

国在内的国天文学家提出建造巨型望远

10

镜的计划，渴望在电波环境彻底毁坏前，回

溯原初宇宙，解答天文学中的众多难题。在

这一科学源动力驱使下，通过不断探索，中

国天文学家提出了在贵州喀斯特洼地中建

造米口径球面射电天文望远镜的建议

500

和工程方案。自以来以中科院国家天

1994

文台为核心，联合国内余所大学和研究

20

所的百余名科研人员，对贵州台址、主动反

射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精

度的测量与控制、接收机等项关键技术开

5

展了长达年的合作研究。立项前，

14FAST

项目组及其合作团队对建设望远镜

FAST

在技术方案上开展了多项工作：

FAST

将为新的科学发现和突破天体物理学

前沿热点问题提供独一无二的手段。评

.....

审委员会全体一致认为：令人激动的

FAST

项目无疑是可行的，并且建议尽快推动其进

入下一步———详细设计和建设”；

200611

年月，受国家发改委的委托，

中国国际工程咨询公司（中咨公司）对国家

重大科技基础设施的项目建议书进

FAST

行了专家评估；

2007710

年月日，国家发改委原则同

意将项目列入国家高技术产业发展

FAST

项目计划，要求抓紧开展可行性研究工作，

在条件具备后上报可行性研究报告；

1994400

年开始，现场考察、分析了个

洼地，制作了个候选洼地的高分辨率（

905

米像素）数字地形模型（）图象，并最

/DTM

终选择贵州省平塘县的大窝凼洼地作为

2008318

年月日，受国家发改委的委

托，中咨公司对国家重大科技基础设施

FAST

的可研报告进行了专家评估；

200810

年月，国家发改委批复了

FAST

工程的可行性研究报告；

200812FAST

年月，工程初步设计和

概算通过中科院和贵州省人民政府组织的

专家评审，举行了工程奠基典礼；

FAST

FAST

台址；

1999FAST

年，“大射电望远镜预研究”

作为中科院知识创新工程首批重大项目立

项，得到中科院及科技部支持；

2002FAST

年，中科院立项“关键技术

优化”重要方向项目；

20092

年月，中科院和贵州省人民政

府批复了工程的初步设计和概算。

FAST

预计工程项目将于年底开

FAST2009

工建设，工期约年半。

5

2005

年，国家自然科学基金委启动了

交叉学科重点项目“巨型射电天文望远镜

（）总体设计与关键技术研究”；

FAST

3

主要科学目标

具有我国自主知识产权的，是世

FAST

界上正在建造及计划建造的口径最大、最具科技重大基础设施“建议书专家评审

威力的单天线射电望远镜，其综合设计体现会”，项目顺利通过评审；

了我国自主创新能力，其建设将推动众多高

科技领域的发展，提高原始创新能力、集成科院院长办公会审议，正式启动立项申请工

创新能力和引进消化吸收再创新能力。它的作；

20059

年月，中科院组织召开了国家

FAST

2005114FAST

年月日，项目通过中

20063292005

年月日，根据中科院

建设与运行将促进西部经济的繁荣和社会

2009年

..

第24卷第6期

671

大

科

学

装

置

进步，符合国家区域发展的总体战略。已发现的大约占。目前新品种的脉冲星

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t

i

e

s

3%

的数目还不多，而且它们往往是在现有设备

的探测极限附近发现的。具有高的灵的灵敏度（即探测暗弱天体的能力）与其口

FAST

敏度和大的天区覆盖，使用多波束馈源和径（）的二次方（

1DD

小时积分时间，将能用年巡视时间发现数宙空间的体积（即大约可探测的天体数目）

1

千颗新的脉冲星，有利于发现更多暗弱脉冲与其口径的三次方（

星、毫秒脉冲星、脉冲双星、双脉冲星系统、后，可观测的天体数目将大幅度增加，可为

脉冲星行星系统、河外强脉冲星、非球状星科学家提供更多更好的观测统计样本，可更

团毫秒脉冲星等罕见品种。的非积分可靠地检验现代物理学、天文学的理论和模

FAST

高灵敏度特别适用于脉冲星偏振、单个脉冲型；它将搜寻到更多的奇异天体，其中蕴涵

等的研究，对星际介质做更精确的探测，揭着大量新发现的机会。的观测涵盖广

示脉冲星辐射的成因。如果幸运，也许泛的天文学内容，从宇宙初始混沌、暗物质

FAST

会观测到目前尚未发现而可能存在的新品分布与大尺度结构、星系与银河系的演化、

种，如奇异星和黑洞双星等。恒星类天体乃至太阳、行星与邻近空间事件

FAST

以接收面积为突破方向。望远镜

2

）成正比，而其可探测宇

D

3

）成正比。它投入使用

FAST

等的研究，都具有非凡的竞争力。拟回

FAST

答的科学问题不仅是天文的，也是面对人类

与自然的。除以下的研究方向，它的科学产

出也许今天我们还难以预测。

（）主导国际甚长基线干涉测量网，并

3

获得天体超精细结构。

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。加入的两面天线可

VLBIVLBI

以隔洲跨洋，其角分辨率，基线可

θ=λ/BB

以有地球直径那么长，如果将天线送至太空

将更长。现代全球网的分辨率已突破宙间最简单、最丰富的元素，它与宇宙大爆

VLBI

毫角秒，比其他所有的天文波段的分辨率至炸几乎同龄。“宇宙的百科全书是用微弱的

少高个数量级。

3

国际网有欧洲网、美国网敏的望远镜。”其观测研究将回答星系及星

VLBIEVN

（）巡视宇宙中的中性氢，研究宇宙大

1

尺度物理学，探索宇宙起源和演化。

氢是宇

21cm

氢谱线写成的，要阅读它需要非常灵

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。同时，对中性氢径为—，最大为。如果

分布的详细观测，还有可能揭示本星系群和加入，由于它巨大的接收面积和地处所有联

附近物质的纤维状分布，为我们深入了解暗测网边缘的地域优势，可将灵敏度提高

物质的分布和性质提供更多的线索。倍，可成图的目标数增加倍，将成为

VLBAAPT

和亚太网等。主要单元天线口

20m40m100mFAST

10

1000

国际网俱乐部的“网主”。由、地

VLBIFAST

面天线和空间左右天线构成的

100m10m

（）观测脉冲星，研究极端状态下的物

2

质结构与物理规律。

脉冲星和脉冲双星的研

究由于证认了中子星及间接证明引力辐射

的存在，分别获年和年诺贝尔物

19741993

理学奖。目前已发现脉冲星余颗，毫

1850

秒脉冲星余颗。脉冲星是极端物理条件

200

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万颗，

6

VLBI

系统，其灵敏度将比现有设备提高

0.510.1

—个数量级。有可能以优于个日地

距离分辨能力，获得少数热谱源精细图像，

从而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。

（）探测星际分子，研究恒星形成与演

4

672

2009年

..

第24卷第6期

500FAST

米口径球面射电望远镜（

）

化、星系核心黑洞以及探索太空生命起源。

2060

世纪年代初，由于毫米波天文学的发

展，在星际介质中观测到不同转动能级跃迁

产生的分子谱线，这些分子中包括了蛋白质

的基本化学元素、、和等。由此，射

CHNO

电天文学认为，前生命期复杂分子的发生可

能不需要从零开始，分子天文学的奠基人

寻找来自地外的“人工”信号。主流科

SETI

学家认为人类应将搜索集中在的

1－3GHz

无线电频率范围，尤其是的中性氢线

21cm

（）与羟基线（）之间。与

HI18cmOHHOH

结合成水（

H

2

O

），因而这一狭窄频带又称为

“水洞”。水对地球生命是最基本的，地外

的“水族”可能也会自然地通过水洞寻找同

类。在诸多观测课题中，“凤凰计划”是最著

名巡视，它始于年，正使用目前

SETI1994

世界上最大的天线———望远镜对来

Arecibo

自邻近的大约颗类太阳星周围的无

1000

线电信号进行系统的搜索和证认。具

FAST

有更强的搜索能力和更远的搜索距离，期望

会给我们带来更大的发现机遇。

Townes1964

也因此荣获年诺贝尔物理学

奖。迄今，已证认星际分子余种，其中有

140

850

种脉泽分子，包括多条非热脉泽谱线。

在银河系已发现几千个脉泽源，在河外星系

中发现了个超脉泽源和多个

106OH20

HO

2

超脉泽源。

星际分子广泛存在于多种天文环境。约

有的分子谱线处于厘米、分米波段。

20%

（）其他应用领域。

6

例如，将把

①FAST

我国深空测控及通讯能力由地球同步轨道

延伸至太阳系外缘行星，能使目前我们的深条低频甲醇（

空通讯数据下行速率提高—倍，种重要分子谱线。利用其高灵敏度，可对超

1001000

强有力地支持我国未来载人航天、探月和深强红外星系、高红移星系、活动星系和类星

空探测计划，能应对深空飞行器在快速工程体进行、、

变轨和着陆时的测控需求。的经纬广泛搜寻。的性能将可观测到更多

②FASTFAST

度使它处在全球深空网中的有利位

DSN

置，将在全球小时日不落合作中发挥重型的关系、超脉泽与核活动的关系、超脉泽

24

要作用。观测电离层对卫星和射电源信号和星系核相对论性外流的关系。在多波束模

③

的闪烁，研究电离层不均匀的时空结构，为式下，用做超脉泽的巡天工作，

我国军民用通讯和卫星定位服务。观测行星将增进我们对其光度函数的理解，为我们提

际闪烁和法拉第旋光现象，跟踪探测日供有关其起源的信息。

IPSCH

冕物质抛射事件，了解太阳风的行星际传最亮的射电点源，强出邻近脉泽近个

播，服务太空天气预报。毫秒脉冲星自转数量级，它的研究正成为示踪恒星及行星形

④

频率具有很高的长期稳定度，被誉为自然界成和研究吸积盘的重要工具。此外还可能发

中最稳定的时钟。目前已有约个脉冲星现高红移巨脉泽星系，研究宇宙早期演化。

10

计时阵（）先后投入

PTA,PulsarTimingArray

工作，开始用建立独立于原子时的脉

PTA

冲星时间标准。能将所使用的脉冲星

FAST

数目增加至颗，实现新时间标准的突

100

破，其精度有可能应用于未来深空飞行器的

自主导航。

（相关图片请见彩插二、封三）

2009年

..

第24卷第6期

FASTOH

工作带宽内包含羟基（）、唯一的一

CH

3

OHHCHO17

）和甲醛（）等

OHHCHOCH

3

OH

分子超脉泽的

OH

超脉泽源，进一步研究超脉泽和星系类

FASTOH

3

OH

脉泽是河内

OH1

（）搜索星际通讯信号，搜寻地外文明（

5

SearchforExtraTerrestrialIntelligence

—，

SETI

）。

人类从未停止过对是否存在地外文

明这一问题的孜孜探求，而近年来取得的地

球极限生命环境、存在地外水和太阳系外行

星系统项科学进展，又使升温。

3SETI

与地外文明通讯的唯一可行的方法是

673