FAST

定义

FAST是一台以接收无线电波段天体信号为主要用途的地面天文观测装置，全称为500米口径球面射电望远镜，其中的「球面」指其主反射面在建成状态下呈球冠状^[1]。它属于中国科学院国家天文台主导建设的国家重大科技基础设施，也是中国「十一五」期间立项的重大科技基础设施项目之一^[3]。望远镜主体坐落于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇的大窝凼洼地，台址位于天然形成的喀斯特洼坑之中^[4]。

在世界现役射电望远镜中，FAST的口径与灵敏度均居单口径设备之首，反射面面积约25万平方米，相当于30个标准足球场^[5]。相较于此前口径最大的美国阿雷西博天文台305米望远镜，其综合性能提高约10倍；与德国波恩100米望远镜相比，灵敏度也提高约10倍^[2]。".replace("。

原理

射电望远镜与光学望远镜的成像方式不同，它接收的是波长从毫米到数十米量级的电磁波，需要把来自天体的微弱信号汇聚到焦点上的接收机^[4]。望远镜的角分辨率由观测波长与口径的比值决定，因此在相同分辨率要求下，观测波长越长，所需的口径就越大^[6]。这是FAST必须做到500米量级口径的直接原因。

FAST的主反射面不是一整块刚性镜面，而是由4450块三角形反射面板单元拼接在索网上，每块单元又由约100块边长1.1米左右的子面板组成^[7]。索网由6670根主索和2225根下拉索构成，节点处装有液压促动器^[8]。观测时，控制系统驱动这些促动器伸缩，把球面局部调整为直径300米的抛物面，使信号汇聚到一点^[9]。

聚焦后的信号由悬在反射面上方约140米处的馈源舱接收，舱内装载多套波段接收机^[10]。与早期同类设备用刚性背架悬吊馈源的方式不同，FAST采用6座支撑塔牵拉6根柔性钢索拖动馈源舱，将支撑系统自重降至约30吨，并通过舱内并联机器人实现高精度定位^[2]。抛物面在工作区域内可随观测目标改变位置，因此并不需要整台望远镜机械转动。

由此形成的观测几何可用下式表示有效口径与分辨率的关系：

式中 $\lambda$ 为观测波长，$D_{\mathrm{eff}}$ 取300米的有效口径，而非整个500米的球冠直径^[11]。

发展历程

1993年，国际无线电科学联盟大会上有包括中国在内的多国天文学家提出建造下一代大射电望远镜的设想，随后中国天文学家形成了在贵州喀斯特洼地中建设500米口径望远镜的方案。1994年起，南仁东等人开始为台址进行踏勘，项目组先后考察了数百个天然洼地，最终选定平塘县的大窝凼^[10]。选择该地的原因包括洼坑本身可减少土石方开挖、喀斯特地下暗河便于排水，以及周边山体可屏蔽无线电干扰^[6]。

1999年，「大射电望远镜FAST预研究」作为中国科学院知识创新工程首批重大项目立项；2005年，项目建议书通过专家评审；2007年由国家发展和改革委员会批复立项。工程于2011年开工，2016年7月3日完成最后一块反射面单元吊装，主体工程随之完工^[8]。整个建设阶段历时约5年半^[3]。

2016年9月25日，FAST在平塘县宣布落成启用，开始接收来自宇宙深处的电磁信号^[12]。此后望远镜进入调试期，2017年10月公布首批新发现的脉冲星，2019年4月通过工艺验收并向国内天文学家试开放^[13]。2020年1月11日，FAST通过国家验收，转入正式开放运行^[3]。

南仁东于2017年9月因病去世，后续调试与运行工作由接任总工程师的姜鹏主持^[10]。调试期间，FAST的灵敏度达到全球第二大单口径射电望远镜的2.5倍以上^[3]。

应用

FAST的核心科学目标之一是发现脉冲星，即自转极快、能发出周期性电磁脉冲的中子星^[14]。至2024年11月，FAST自调试以来发现的脉冲星数量突破1000颗，超过同一时期国际其他望远镜发现数量的总和，其中包括大量毫秒脉冲星与脉冲星双星^[14]。对脉冲星的长周期测时可用于检验广义相对论、探测低频引力波，并为脉冲星物理研究提供数据^[14]。

在脉冲星领域的具体成果包括发现轨道周期最短的脉冲星双星、测到纳赫兹引力波存在信号的初步证据，以及首次完成年轻脉冲星的三维速度测量^[14]。这些观测多依托几项大型巡天项目，例如银河系盘区的脉冲星快照巡天、漂移扫描多科学目标同时巡天，以及球状星团脉冲星巡天^[14]。

除脉冲星外，FAST还用于研究快速射电暴、银河系及河外星系的中性氢分布与星际磁场。2020年，基于FAST数据的两项快速射电暴研究成果在《自然》发表，其中一项入选该刊当年十大科学发现^[15]。望远镜每年对外提供的观测时间超过5000小时，其中约一半用于优先与重大项目，其余部分通过申请向国内外科研单位开放^[16]。

局限

由于主反射面固定在洼地中，FAST不能像传统全可动望远镜那样整体转向，其可观测天区受到天顶角限制，一般不超过40度，部分观测模式的要求更严格^[11]。可覆盖的赤纬范围大致在-14.6度至65.6度之间，因此南天大范围区域无法观测^[17]。天顶角较大时馈源还会受到地面辐射影响，系统噪声升高、灵敏度下降^[17]。

望远镜的有效口径为300米而非500米，因为只有被调整为抛物面的那部分区域参与聚焦^[11]。在L波段，其波束半高全宽约为2.9角分，空间分辨能力有限，难以分辨细节结构，主要优势体现在灵敏度而非分辨率^[17]。此外，它重新指向新目标所需时间较长，跟踪单一源的持续时间通常只有数小时^[17]。

作为高灵敏度射电设备，FAST对电磁干扰敏感，调频广播、移动通信与卫星信号等都属于需要规避的干扰来源，台址周边5公里范围被划为电磁静默区^[2]。为提升分辨与定位能力，后续计划通过在望远镜周围增设辅助天线的方式，发展综合孔径成像与射电暂现源定位^[14]。

参见

• 射电望远镜 —— FAST所属的观测设备类别及其基本原理。

• 脉冲星 —— FAST最主要的观测对象与研究产出方向。

• 快速射电暴 —— FAST的重要研究课题之一。

• 阿雷西博天文台 —— FAST建成前口径最大的单口径射电望远镜。

• 南仁东 —— FAST工程的提出者与首任总工程师兼首席科学家。

• 中国科学院国家天文台 —— FAST的建设与运行单位。