中国天眼
定义
中国天眼是一座建在天然喀斯特洼坑中的大型单口径射电望远镜,台址位于贵州省平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地,由中国科学院国家天文台主导建设并运行[5][2]。它的球冠形主动反射面口径 500 米,总面积约 25 万平方米,与 30 个标准足球场相当,在观测时于射电源方向实时形成一个口径 300 米的瞬时抛物面[3]。
与光学望远镜不同,它接收的是波长为 4.3 米至 10 厘米的射电信号,工作频率覆盖 70 兆赫到 3 吉赫,配有 7 套可更换的接收机[4][7]。射电窗口不受云、雨、雾等天气条件阻挡,因此该望远镜可以全天候开展观测,但需要极为安静的电磁环境。
原理
射电望远镜的工作基础是电磁波的反射聚焦:平行入射的电磁波经抛物面反射后汇聚于焦点,在焦点处放置接收机即可把天体辐射转换成可记录的电信号[1]。抛物面汇聚信号的面积越大,可探测的暗弱天体就越远,因此口径成为决定性指标[1]。球面镜本身存在球差,不能把信号聚成一点,这就是 500 米口径必须借助变形才能满足观测要求的原因。
望远镜的主反射面由 4450 块三角形铝合金单元拼成,每块单元下挂下拉索,共有 6670 根主索与 2225 根下拉索构成索网,挂在由 50 根钢柱支撑、直径 500 米的圈梁上[1]。索网下方约 2000 多个液压促动器按指令伸缩,拉动节点使局部球面偏离原球面约 47 厘米,改造成口径 300 米的抛物面,并随天体移动而不断调整[8]。
接收信号的馈源舱悬于反射面上方,由 6 座高塔引出的 6 根柔性钢索拖动实现粗定位,舱内的并联机器人完成二次精调,使馈源与反射面之间没有刚性连接也能达到毫米级跟踪精度,整个平台重量约 30 吨[5][9]。测控系统在洼地内布设 24 个激光全站仪基墩,用于建立位置基准并监测结构变形[5]。
发展历程
1993 年,在日本京都召开的国际无线电科学联盟大会上,包括中国在内的多国天文学家倡议在地球电磁波环境恶化之前建造新一代大射电望远镜[5][1]。1994 年,南仁东等中国天文学家提出利用贵州喀斯特洼地建造 500 米口径球面射电望远镜的构想,同年启动选址。此后团队借助遥感影像在 400 多个候选洼地中反复比较,确定大窝凼为台址,大窝凼在两次独立搜寻中均得分最高[5][3]。
1999 年,中国科学院启动大射电望远镜预研究;2007 年 7 月,工程获国家批复立项。2011 年 3 月 25 日,FAST 开工建设。建设中最难的一环是索网:由于反射面需在球面与抛物面之间频繁变形,钢索要承受 200 万次弯曲,而当时国际上没有现成产品,索网系统负责人姜鹏团队经近百次试验才研制出满足要求的钢索,2015 年 2 月索网合龙。
2015 年 8 月 2 日,第一块反射面单元吊装就位;2016 年 7 月 3 日,最后一块反射面单元安装完成,主体工程完工;2016 年 9 月 25 日,FAST 在平塘宣布落成启用[10][5]。2020 年 1 月 11 日,望远镜通过国家验收并转入正式运行;2021 年 3 月 31 日起,它向全球天文学家征集观测申请,首批有 14 个国家的 27 份国际项目获批[6]。
应用
脉冲星搜寻是其主要科学产出方向之一。2017 年 10 月,FAST 公布首批新发现的脉冲星,实现了中国射电望远镜自主发现脉冲星的突破;到 2022 年初累计发现约 500 颗脉冲星,是同期世界上发现脉冲星效率最高的设备[11][6]。基于脉冲星长期测时,中国脉冲星测时阵列团队利用 FAST 的观测数据获得了纳赫兹引力波存在的关键证据[12]。
在快速射电暴研究中,科研团队对 FRB121102 的长期监测得到当时最大的爆发事件样本,首次给出该源的完整能谱及双峰结构,成果于 2021 年 10 月发表于《自然》[6]。中性氢方面,FAST 开展了银道面偏振巡天、中性氢星系巡天等项目,并利用中性氢谱线测量星际磁场,相关结果于 2022 年 1 月以封面文章形式在《自然》发表。此外,其高灵敏度也可用于星际分子谱线探测和甚长基线干涉测量网的相关观测[3]。
运行方面,自验收以来该望远镜年观测时长超过 5300 小时,并确立了多科学目标漂移扫描巡天、脉冲星测时等优先项目[6]。观测时间通过科学委员会与时间分配委员会评审分配,部分观测时间计划向中小学的科学构想开放。
局限
500 米是反射面的物理口径,但同一时刻被有效照明并保持正确抛物面形状的区域只有 300 米,计算灵敏度须采用这一有效口径;当天顶角增大时,有效照明口径还会进一步下降[13][14]。受此限制,其可及天区为赤纬约 -14 度至 66 度,天顶角一般不超过 40 度[15][13]。
作为单口径望远镜,它的角分辨率由口径与波长之比决定,L 波段半高全宽约 2.9 角分,单波束视场很小,19 波束接收机的视场也只有约 26 角分,因此大范围巡天只能依靠漂移扫描等方式逐块覆盖[7][15]。结构惯性使换源需要数分钟至 20 分钟左右,难以响应毫秒级的瞬变目标[7]。
观测频段同样受到硬件约束。反射面由离散面板拼接,面板尺寸限制了可接收的最短波长,当前工作频段上限为 3 吉赫[14]。馈源舱下平台空间有限,只能安装一套下平台,更换接收机需 2 至 5 天,近年的常规观测主要依靠 1.05 至 1.45 吉赫的 19 波束接收机,其他频段的使用因此受限[7][16]。台址的电磁环境保护也是硬约束:半径 5 千米内没有乡镇,但卫星导航等空间信号仍会落入部分频段,需要在数据处理中剔除[2][17]。
参见
参考资料
- 姜鹏：“中国天眼”为何能吸引世界瞩目？ [引用日期2026-10-29]
- 【新华网】探秘中国“天眼”——走近世界最大单口径射电望远镜----中国科学院 [引用日期2026-10-29]
- 背景资料----500米口径球面射电望远镜（FAST）工程 [引用日期2026-10-29]
- 前言 [引用日期2026-10-29]
- 世界最大单口径巨型射电望远镜在贵州落成启用 [引用日期2026-10-29]
- 中国天眼高质量开放运行取得系列重要科学成果 [引用日期2026-10-29]
- Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope [引用日期2026-10-29]
- “天眼”FAST的骨架是怎样编成的？ [引用日期2026-10-29]
- 射电望远镜界的 “千星捕手” [引用日期2026-10-29]
- 最新进展----500米口径球面射电望远镜（FAST）工程 [引用日期2026-10-29]
- [科普中国]-中国天眼FAST再发现3颗脉冲星 [引用日期2026-10-29]
- 500米口径球面射电望远镜(FAST) [引用日期2026-10-29]
- FAST科学数据说明v5(PDF) [引用日期2026-10-29]
- wikipedia.org 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- A Commensal FAST Drift-Scan Survey [引用日期2026-10-29]
- 2024年度500米口径球面射电望远镜满意度调查用户反馈意见回复 [引用日期2026-10-29]
- fermilab-pub-23-258-t(PDF) [引用日期2026-10-29]