本刊编辑部

中国著名科幻作家刘慈欣在他的长篇科幻小说《三体》中，描述了地球文明为抵抗三体文明的殖民，与其展开了长达数百年的激烈斗争。在茫茫的宇宙中，地球人和三体人是如何发现对方的存在并交流信息的？这里面最关键的仪器就是射电天文望远镜。正是在位于大兴安岭红岸基地雷达峰的大型射电望远镜的帮助下，人类第一次获得了三体文明的信息，并对该信息进行了回复，这才导致后面—系列故事的发生。

天文学是人类社会最早发展起来的一门学科，天文学中非常重要的手段之一就是“观星”——对于天体的观测。起初，人们通过肉眼观测可见天体，后来就借助光学望远镜观测，但是在射电望远镜出现以前，天文学的研究对象只涉及可见宇宙，也就是那些能发出可见光的天体。而宇宙中的天体物质不仅能发出可见光，还能发出各种“不可见光”，也就是其他波段的电磁波和各种粒子射线。可见光只携带了宇宙中的一部分信息，其他部分的信息则隐藏在“不可见”的射频电波里，射电天文学就是通过测量自然天体发出的射电信号来研究宇宙的奥秘。

2020年1月11日，被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电天文望远镜（FAST）通过国家验收，正式开放运行，开启了“睁眼看宇宙”的新征程。

为什么需要大口径射电望远镜

射电望远镜的基本性能指标有两个灵敏度和分辨率。

灵敏度指射电望远镜能“感受”到的最低能量值，灵敏度越高，能探测到的射电信号就越多，相应地，发现的射电源也就越多、越远。

分辨率则是指能区分两个邻近的射电源的能力，分辨率越高，分辨本领就越大，就能将距离很近的两个射电源区分开。

增大望远镜口径是提高灵敏度和分辨率的主要途径之一，另外也可以通过天线的形状和材料来改变天线的工作波长，以此提高灵敏度和分辨率。

记录来自遥远天体的信号

从20世纪30年代射电天文学诞生到现在，科学家研制出了大小不同、形式多样的射电望远镜。简单来说，射电望远镜就是捕捉、收集来自天体的射电波的工具，它通过高增益的天线，配以高灵敏度的接收机和相应的后端设备，接收和记录来自遥远天体的射电波信号。

射电天文学观测的天体常处在离我们几十亿甚至是百亿光年以外的深远宇宙空间，当这些射电信号穿过茫茫宇宙时空到达地球上（这些信号不仅来自远方，而且来自上古时期），我们所能收集到的射电频段天体辐射已经变得十分微弱。有人曾经估算过，从射电天文学发祥至今，所有的射电望远镜接收的天体辐射能量，连一页书都翻不动，这是多么小的能量啊！

就组成而言，射电望远镜可以分为单口径射电望远镜和综合孔径射电望远镜。

单口径射电望远镜与通信用的微波天线类似，通常分为3个主要部分，分别是反射面、接收机和指向装置。反射面的形状通常为抛物面，可以接收到遥远天体发射的平行电磁波并反射汇聚于抛物面焦点处的接收机。指向装置则根据天体位置实时转动望远镜、调节指向，这是因为地球的自转和公转，天体相对于望远镜的位置会发生变化。

综合孔径射电望远镜则是由多个单口径望远镜组成的天线阵，单口径射电望远镜对反射面的要求比较高，而综合孔径射电望远镜利用多天线干涉重建发射源的信息，要求则低一些。

此外，根据射电望远镜的最短工作波长，又可以将射电望远镜划分为厘米波射电望远镜、毫米波射电望远镜以及亚毫米波射电望远镜。而在同一口径下，工作波长越短，分辨率就越高。

不同寻常的1994年

1994年是中国科技史上难忘的一年，正是在这一年，中国的科学家们做出一个重大的决定。让我们把目光回溯到二十几年前，看看到底发生了什么。

现代信息技术离不开电磁波的发射和接收，如果说电气革命以后人们无法离开电，那么信息革命之后，人们就再也离不开电磁波了。卫星信号、电视广播信号、手机信号等，都离不开电磁波的发射和接收。因此，人造电磁波信号越来越多。虽然人造电磁波信号给我们的生活带来很多便利，但对于天文观测来讲，它们却是“噪声”的主要来源。在天文观测中，电磁信号是主要的信号源（另外还包括各种粒子流、引力波信号等），通过分析不同天体发出的电磁波信号，可以获得关于宇宙的信息，加深我们对宇宙的认识。而越来越多的人造电磁波信号会干扰我们对宇宙的“聆听”，科学家们早已意识到这个问题的严重性。

1993年8月26日，第24届国际无线电科学联合大会在日本召开。在大会上，来自澳大利亚、加拿大、中国、法国、德国、印度、荷兰、俄罗斯、英国、美国10个国家的射电天文学家提出了建造巨型射电望远镜的计划，希望在电波环境被彻底毁坏前，多捕捉一些来自外太空的射电信号，回溯原初宇宙，解答天文学上的众多难题。

由于巨型望远镜规模巨大，单一国家难以承担，因此从一开始，这一计划就被确定为一个国际合作项目。在会议之后，这些国家就开始了对计划先导单元的预研究。

1994年，中国科学院北京天文台（现在的中国科学院国家天文台）开始主持相关工程概念的预研究，并联合国内20多家大学和研究所，成立了射电“大望远镜”中国推进委员会和相关实验室。从此，中国的科学家们精诚团结，开始了对大口径射电望远镜的建设研究。

1995年年底，射电“大望远镜”中国推进委员会在借鉴美国阿雷西博球面射电望远镜的基础上，创造性地提出了利用中国贵州喀斯特洼地建造大口径射电望远镜的工程概念，500米口径球面射电天文望远镜（FAST）工程由此而来。

漫长的选址过程

FAST工程从初期开始，就基本确定在贵州建设，这是因为贵州处于世界上三大连片的喀斯特发育区之一的东亚片区中心，是世界上分布面积最大、最集中连片的喀斯特区，也是世界上喀斯特发育最典型、类型最复杂、景观类型最齐全的片区。

為什么选择喀斯特地貌区域作为大口径射电望远镜的台址？这是为了能够安放射电望远镜的巨大反射面。500米口径的平面圆面积约为20万平方米，要安放这么大的一个半球，不仅需要20万平方米的占地面积，还需要至少200米的深度。而在喀斯特地貌区域，极有可能找到符合这样条件的地点。

从1994年大口径射电望远镜的贵州选址工作启动，到2007年国家发改委原则同意将FAST项目列入国家高技术产业发展项目计划、FAST项目正式立项为止，中国科学家做了长达13年的预研究和优化研究，在综合考虑了自然地理、地貌发育控制因素、洼地的形态特征及资源环境等条件后，最终将FAST的台址确定为贵州省平塘县的大窝凼洼地。

大窝凼洼地是喀斯特地貌所独有的一大片漏斗天坑群，就像一个天然的“巨碗”，正好可以将FAST的反射面盛放进去，大大减少了工程的土方量。而且这里属于空洞溶岩地质，地下水可以通畅排泄，再加上良好的电磁环境以及低风速、冬季少雨雪、无重大自然灾害记录的自然条件，说这里是专为FAST而生的，一点也不为过。

“天眼”工程的中国创造

为实现FAST的建设目标，总共需要建设六大工程系统：台址勘察与开挖系统、主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、馈源与接收机终端系统、观测基地建设系统。

全新的设计思路，再加上得天独厚的台址优势，使得FAST开创了建设巨型射电望远镜的新模式。从1994年开始策划到2007年确定台址，中间经历13年;从2007年FAST项目列入国家高技术产业发展项目计划到2011年工程开工，前期筹备过程经历了4年的时间;从2011年3月25日开始施工建设到2016年9月25日FAST正式“开眼”，中间经历了5年零6个月，工程的投资总计为6.67亿人民币，这期间的建设过程漫长而艰辛，却又激动人心。这一工程的成功实现，不仅和中国科学家们的精诚合作密不可分，也离不开工程建设人员的日夜奋战，更离不开决策者的高瞻远瞩和全国人民的大力支持。

作为我国拥有完全自主知识产权的巨型射电望远镜，FAST突破了多种关键技术，主动反射面的运用可以说是FAST的最大创举。以往的射电望远镜虽然是固定式的反射面（如美国的阿雷西博射电望远镜），但其实对于观测对象来讲是不固定的，因为地球在不停地自转和公转，所以固定式反射面由于地球自转的作用，并不能把信号汇聚在一个焦点上，而是汇聚在一条焦线上，这会给观测带来非常大的限制。而FAST通过主动反射面技术，能将观测天顶角扩大到40°范围的天区。

另外，光机电一体化的馈源支撑系统也是一大创新。在500米巨大的空间尺度上，处于焦点处的接收机与反射面之间不可能使用刚性连接，假设采用阿雷西博射电望远镜的指向跟踪平台方案，平台重量会超过万吨，根本没有可行性。因此，中国的科学家们发展了光机电一体化的索拖动技术，使用6根钢索将接收机的馈源舱拖到焦点处，并附加一个精调机器人抵消钢索的震动，在索驱动和并联机器人二次精密调控的结合下，实现接收机空间定位，最终实现高精度的指向跟踪。

FAST的研制成功，为我国射电天文学、深空探测通信以及相关基础领域的发展提供了更多的突破性机遇，使我国一跃成为射电天文的强国。

FAST的科学目标

作为世界上最大的单口径射电望远镜，FAST将在未来20-30年内保持世界一流设备的地位;作为一个多学科基础研究平台，FAST将为宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等众多基础研究领域提供发展和突破基础，也将

数字解读FAST

接下来，我们通过一些具体的数字，更加直观地了解FAST这个“观天巨眼”。

FAST的口径达到500米，是目前世界上最大的单口径射电望远镜，从顶部圆心到底部圆心的垂直距离为138米，相当于50多层楼高。

整个钢结构圈梁长度为1600米，消耗钢材5600吨，总工程量相当于1/4个鸟巢。

反射面索网结构由近9000根高精度、高强度钢索连接而成，在半空中形成一张重达1600吨的钢质索网。

反射面由4450块边长达10-12米的三角形主动反射单元拼装形成，球形反射面的面积相当于30个足球场大小。

在山崖上修建了6座馈源支撑塔，最高达168米，通过钢索悬吊的方式，支撑控制重达30吨的馈源舱。

FAST的探测灵敏度要比此前世界最先进的美国阿雷西博射电望远镜高近2.5倍，将人类的视野拓展得更深、更远。在日地环境研究、国防建设、国家安全等方面发挥不可替代的作用。

虽然科学上的发现是不可计划和难以预测的，但是在可预见的领域内，FAST将在很多方面实现科学和技术上的重大突破——

巡视宇宙中的中性氢。氢是宇宙中最简单同时也是最丰富的元素，对中性氢的观测，将有望在暗物质暗能量、星系形成与演化等方面取得进展。

观测脉冲星。脉冲星的发现可以说是20世纪后半叶最伟大的天文发现之一。脉冲星是一种高速旋转并具有极高密度的极端星体，有着规律变化的脉冲信号，周期从1毫秒多到数秒不等。根据计算机仿真，FAST使用多波束馈源做1小时积分时间的巡视，能用一年时间发现4000余颗未知的脉冲星。

探索星际分子。利用FAST的高灵敏度，可以搜寻银河系中的长链碳分子。如果找到的话，将会对生命起源的研究产生重大影响。

搜索星际通信信号。根据我们的生产生活经验，智慧生命的基本特征之一就是能够发射通信信号。在月球旅行和火星旅行即将实现的时代，在不断发现大量系外行星以及类地行星的时代，寻找地外文明已经变得比以往任何时候都更加迫切。FAST将用前所未有的高效率搜寻、识别可能的地外通信信号，实现对地外文明的搜索。

当之无愧的国之重器

2016年9月25日，FAST正式落成并启用。

根据国际惯例和大型地面设备的使用规律，大型望远镜竣工之后要经过2-3年的时间才能正式运行，而这2-3年的时间，是大型望远镜调试阶段，这是科学家们严谨工作作风的体现。FAST也遵循这样的惯例，调试结束之后才能通过国家验收，实现面向国内外学者开放。在调试阶段，中国科学院国家天文台牵头国内多家单位，在FAST科学和工程团队的密切协作之下，实现了指向、跟踪、漂移扫描等多种观测模式的顺利运行。

FAST正式“开眼”一周年后，2017年的10月10日，在中国科学院国家天文台举行了首批成果发布会。在发布会上，研究人员公布了首批认证的两颗脉冲星：一颗编号J1859-0131，自转周期为1.83秒，据估算距离地球1.6万光年;一颗编号J1931-01，自转周期0.59秒，据估算距离地球约4100光年。两颗脉冲星分别由FAST于2017年8月22日、25日通过漂移扫描发现。其实，当时FAST已探测到了数十个优质脉冲星候选体，但候选体并不能作为最终的结果。为了确保结果的可靠性，经国际合作，例如利用澳大利亚64米帕克斯射电望远镜进行观测，最终认证了上述两颗。澳大利亚帕克斯射电望远镜科学主管乔治-霍布斯评价说，“这是国际天文学界最令人激动的事件之一”。

2018年4月18日，FAST首次发现的毫秒脉冲星也得到国际认证，这是FAST继发现脉冲星后的另一个重大成果。首次发现的脉冲星的自转周期均为秒级别，而这次发现的脉冲星的自转周期在毫秒级别！这颗脉冲星被命名为J0318+0253，自转周期为5.19毫秒。根据估算，它距离地球约4000光年，是至今发现的射电流量最弱的高能毫秒脉冲星之一。国际大型射电天文臺曾对其进行过多次搜索，例如美国阿雷西博射电望远镜就在2013年6月开展了3次定点观测，都未探测到它。毫秒级脉冲星的发现，展示了FAST在科研方面的重大潜力。

科技是国之利器，大科学装置无疑是利器的锋刃，是当之无愧的国之重器。20多年铸就而成的“中国天眼”，值得信赖，更值得期待！

（责任编辑：张洁白玉磊责任校对：赵梦祺）