“中国天眼FAST”为什么fast？

　　初看这个标题，你可能会疑惑FAST是什么？它“快”在哪里？在这之后可能才会有兴趣听我们说说它为什么fast（快！）

　　一、FAST是什么？

　　FAST 是“中国天眼”的英文首字母缩写（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，全称“五百米口径球面射电望远镜”），它是建在贵州省黔南州大窝凼的天文大科学装置。

FAST 太大了，近距离只能用鱼眼摄像的方式拍摄（王珅 摄）

从圈梁上拍摄的“中国天眼”面板，红框处是一辆工程车（FAST办公室供图）

　　这个“中国天眼”有多大呢？它接收信号的面积约等于30个标准足球场，如果装满茅台酒足够全世界75亿人每人分4瓶，是世界上口径最大、灵敏度最高的单口径射电天文望远镜。

　　它的反射面由4450面平均边长11米的三角形（边缘部分为矩形）铝合金面板组成，每个面板又由100个小三角形面板拼接而成，通过2250根下拉索和2250个促动器实现面板的指向和主动变形，可以在观测方向上形成瞬时的抛物面汇聚电磁波，通过面板改正球差，实现望远镜的宽频带和全偏振功能。这样特殊的设计，极大的减轻了馈源支撑系统的重量，对比阿雷西博望远镜升级后高达2000多吨的馈源支撑系统，“中国天眼”的“眼珠”仅有30余吨，运行非常灵活。

　　你可能会想，“中国天眼” 除了大，还有什么独特之处呢？首先，要告诉你的是它可不是一般的大，也不是一般的设备，它是“大科学设备”！

　　大科学装置是指须通过较多资金投入和浩瀚工程建设来完成，建成后通过长期的稳定运行和持续的科学技术活动，以实现重要科学技术目标的大型设施。其科学技术目标必须面向国际科学技术前沿和国家重大需求，为国家科学技术进步、国防建设与社会经济的发展做出战略性、基础性和前瞻性的贡献。（来源：中国科普博览http://www.kepu.net.cn/gb/perspective_2009/090617_lamost/zhuangzhi.html）

　　可能还有人要问，我们为什么需要大科学装置研究天文？这就要先说一说天文学研究的重要意义。

　　天文学从诞生起一直是自然科学的核心学科和前沿学科之一，它的每一次重大突破都会在“不经意间”对整个基础学科乃至人类文明的进程带来巨大震撼和推动。在发展天文学中累积的观测成果、技术革新不仅在国家安全、国民经济方面起到重要作用，而且切实的改变了每一个普通人的生活。比如，对太阳黑子爆发活动的观测预报关乎发电厂和电网设备的安全；空间碎片的监测预警关乎在轨卫星的安全，进而影响国民的通讯和出行导航。

　　试想一下，如果没有长期细致的观测记录，精准快速的计算模型，哪怕只是短暂发生的太阳风暴和极小的空间碎片，都会造成电网中断、卫星失灵，给国民的生产生活带来不可估量的损失。

　　而且，在建设大科学装置的过程中，也会产生许多改变生活的技术和设备，比如大家生活很难离开的Wi-Fi的部分核心技术，就是澳大利亚的Dr. John O’Sullivan 在验证霍金辐射的研究过程中开发出来的新技术（Hamaker, J. P.; O'Sullivan, J. D.; Noordam, J. E. (1977), "Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacing interferometry", J. Opt. Soc. Am., 67 (8): 1122–1123）。因此，大科学装置带来的科技进步及影响很难用普通眼光来估计。

　　我们国家的射电天文学研究起步比国际上其他国家晚了许多。从1933年央斯基（Jansky，同样也是射电天文流量密度的单位）利用雷达天线在雷暴天气下研究干扰通讯信号到达方向，进而发现信号来自银河系中的射电辐射，射电天文学这个只有86岁的年轻学科已经产生了6项相关的诺贝尔奖。20世纪的四大天文发现——类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射也都是利用射电观测手段获得的。

　　从1937年第一架口径9.5米的射电天文望远镜建成至今，射电天文的口径也逐步增加，这是因为射电望远镜的灵敏度与口径的平方成正比。天体辐射的电磁波极其微弱，因此需要大口径的望远镜接收更多的信号，才能探测到遥远深邃宇宙中的奥秘。（小贴士：你能想象吗？从建设第一台射电望远镜建成以来所有射电天文望远镜接收的除太阳以外的宇宙天体的信号折算成能量还不足以翻动一页书！）

　　而直到1990年，中国最大的射电望远镜的口径也才25米！因此，FAST（快！）的名称也包含着中国天文学家追赶世界射电研究前沿的急迫心情！快一点！再快一点！（小贴士：“中国天眼”FAST最早的名字是KARST，一平方公里望远镜阵，从中也可以看出中国天文学家们的“野心”。）

　　“中国天眼”作为大科学装置，在设计与施工过程中就快速催化了一系列新技术、新的管理体系的诞生。举一个例子，支撑望远镜面板的索网结构（相当于“中国天眼”的眼眶）需要超强的疲劳性能（是国家标准规范的2.5倍）、超高的精度要求（±1mm, 标准规范的15倍）和超大的索网跨度（严苛场地限制下的500米跨度）。这些研究成果不仅催生了大量自主知识产权专利，而且被快速应用到生产建设中，影响着我们每一个人的生活。（小贴士：你知道吗？为满足“中国天眼”建设需要而建立的高精度索结构生产体系在之后也应用在了港珠澳跨海大桥和国际若干大桥的斜拉索生产上。）

　　“中国天眼”比人类二十世纪十大工程之首（排在阿波罗登月工程之前）的美国原世界最大口径射电望远镜阿雷西博望远镜（Arecibo，口径305米）观测天区大1倍，最大跟踪时长长1倍，综合性能提高约10倍！是当之无愧的最大口径最高灵敏度的单天线射电望远镜。

　　二、FAST快在哪里？

　　FAST快在工程建设没有延期一天！国家批准FAST工程建设周期为5.5年，FAST工程工程建设从2011年3月5日开工报告批复之日起，到2016年9月25日如期竣工，历时2011天，全程没有出过重大安全事故。这离不开30多所高校和科研院所数百名科技人员的精心研发，离不开数十家大型企业的上千名技术人员和工人们的勤奋工作！离不开这些新时代的“工匠”们！

　　FAST建设得有多快，变化有多大，以下5幅图可以说明：

“中国天眼”台址原貌（FAST办公室供图）

2014年7月FAST建设情况（FAST办公室供图）

2016年3月FAST建设情况（FAST办公室供图）

2016年7月FAST建设情况（FAST办公室供图）

FAST建设年表

　　FAST快在调试阶段就开始系统发现新脉冲星！通常大型望远镜的调试期一般超过4年，比如美国绿岸GBT望远镜（100 米）花了6年，意大利SRT望远镜（64米）超过5年，而“中国天眼”计划的调试期只有3年，并且公开征集的项目观测要在调试期间同步开展。为此建立的调试核心组，由七个专业小组和一个保障小组进行调试与试观测。其实，部分设备的调试早在FAST完全建成之前就已经开始了，在调试阶段开始不久，2个关键调试就已经顺利完成。在“中国天眼”面板尚未安装完毕时，相应的信号处理后端及模拟观测也已经在同步进行中了。这样做的好处是可以提前训练了观测团队，模拟了观测流程，检验了相应的观测程序，最终保证了“中国天眼”一建成就马上可以开始观测。

模拟观测时安装在简陋的“观测室”里的信号处理设备，每晚观测的数据通过移动硬盘存储（FAST办公室供图）

升级后的临时监控室（FAST办公室供图）

第一代馈源和RFI监测装置（FAST办公室供图）

　　FAST快在调试阶段就已经开始进行科学研究，开展巡天观测！在不断校准“中国天眼”的“视力”过程中，“急不可待”的中国天文学家们也争分夺秒的进行科学观测，望远镜还不能移动，就采用漂移扫描的方式，让地球自转带着“中国天眼”巡天。并且在建成不到一年，就实现了精确的跟踪观测模式，对比其他望远镜的观测结果，验证了“中国天眼”的超高灵敏度和望远镜效率。

　　FAST快在调试阶段就开始系统发现新脉冲星，目前已经发现了80余颗脉冲星候选体！这需要归功于国家天文台脉冲星搜索团队提前准备，在“中国天眼”竣工前一年就已经开始集中处理澳大利亚帕克斯（Parkes）望远镜的公开数据，对团队成员进行相应的观测及数据处理训练，开发创新搜索软件和数据库。当“中国天眼”开始调试时，采用三套流程同时处理数据，并积极的通过国际合作开展相关的后随观测，目前已经确认50余颗新脉冲星，包括数颗毫秒脉冲星。

　　FAST快在预期在今年通过国家验收，转入常规观测与维护，开放设施与数据。事实上，截止到2月28日，“中国天眼”迎来第一批观测申请，包括了超过100个项目，首席科学家来自21个研究单位。这个速度简直是世界天文望远镜设备使用的奇迹！

　　三、FAST为什么这么快？

　　最后说说“中国天眼”的建设为什么这么快。

　　首先，“中国天眼”的建设离不开国家的大力支持。现代天文学已经成为各国科技实力的综合体现和世界科技强国的重要标志，几代党和国家的领导人都十分关心和重视天文事业的发展。习总书记在出席第28届国际天文学联合大会开幕式时，发表了“携手探索浩瀚宇宙，共创人类美好未来”的重要讲话。刘延东副总理在“中国天眼”竣工仪式上转达的习总书记贺信中也提出：希望FAST“早出成果，多出成果，出好成果，出大成果”。党的十九大报告也着重点名了包括“中国天眼”在内的重大科技成果。国家也在逐步加大在天文事业上的投入。

　　其次，“中国天眼”的建设离不开科学、有组织的规划。在FAST工程动工前，以国家天文台为核心，各大高校、科研院所、工业机构精诚合作，严格的对“中国天眼”的5项关键技术进行了可行性研究和模型实验，对技术方案进行预先研究和逐项攻关。这其中的每一步都包含着巨大的工作量，凝聚了无数科研人员的心血。国家天文台密云站还提前建设了30米的FAST缩比模型，而这个模型是一个完全可以用于天文观测的望远镜。

　　20年前，早在FAST正式立项前，相关预研究就已经在中国科学院创新工程首批重大项目经费的支持下开始了。从1994年开始选址一直到2006年选择了大窝凼这个地球上独一无二的优良台址，充分利用贵州天然的喀斯特巨型洼地作为望远镜台址，减少工程施工量的同时也满足排水要求，四周的大山提供优良的电磁屏蔽。为了选出这样优良的台址，选址团队成员不仅看卫星图还多次亲自探查，最后选定的地点如果通过人工挖掘，需要高达20多亿人民币。“中国天眼”项目的各个团队也紧密配合，平行的进行相应的预研究，比如动光缆技术的研制就历时4年多。

FAST立项年表

　　然后，“中国天眼”的建设离不开自强不息的中国天文人的不懈努力。FAST工程的首席科学家、总工程师，国家天文台南仁东研究员，一生最后22年一直持之以恒地做一个梦和一件事情：高质量的建成FAST，为下一代天文学家打造国之利器！而他本人却在FAST竣工1周年前夕不幸因病去世。他的事迹感动并激励着每一个中国天文人，无愧于“时代楷模”的称号！

　　最后，“中国天眼”的建设离不开民族复兴的伟大时代！正是我们生活的这个时代，给了中国天文界发展的机遇，也给了中国天文界挑战想象力的勇气。“中国天眼”是中国自主智造的世界上口径最大、灵敏度最高的单口径望远镜，将在未来10至20年保持国际一流设备的地位，实现了中国射电天文在国际上从“追赶”到“领先”的跨越！已经实现了“早出成果”，正在实现“多出成果”并努力实现“出好成果”，期望“中国天眼”给我们带来大的惊喜，最终实现“出大成果”！

　　所以，FAST （“中国天眼”）为什么 fast （快），就在于“未雨绸缪”，就在于“厚积薄发”，就在于“踏实肯干”！而最重要的是，如已故南仁东研究员所说：“人类之所以脱颖而出，就是因为有一种对未知探索的精神！”

　　作者：严俊，系中国科学院国家天文台研究员，博士生导师，FAST工程经理部经理，原国家天文台台长。王珅，系国家天文台天体物理在读博士，参与FAST望远镜早期调试和科学研究，包括分子谱线和快速射电暴探测等，目前在康奈尔大学联合培养。