中國天眼又“上新”了！9月16日，其銀道面脈沖星巡天團隊捕獲一顆處於緊致軌道的雙中子星系統脈沖星J1856—0039，是軌道周期極短、目前已知總質量最輕的雙中子星系統。作為射電天文領域的國之重器，中國天眼（FAST）不斷將我們的視野推向宇宙更深處，在脈沖星、快速射電暴、中性氫宇宙等前沿領域，一次又一次刷新著人類對於宇宙的認知。

今年是中國天眼建成十周年，作為目前世界上最大最靈敏的單口徑射電望遠鏡，這個“最”的桂冠並非一蹴而就，它是怎麼登上巔峰的？未來還將譜寫哪些精彩篇章？

從看得見的宇宙到看不見的宇宙

人類對於宇宙的好奇和觀測，可以追溯到千年以前。但在很長一段時間裡，人們只能靠肉眼仰望星空。直到1609年，伽利略首次使用望遠鏡觀測宇宙，才推開了近代天文學的大門。

在此之后的數百年，人們都依賴光學望遠鏡觀測宇宙。直到一次偶然發現，為人類打開了宇宙觀測的另一扇窗——無線電波段。

1931年，貝爾實驗室的無線電工程師卡爾·央斯基監測到了一種近乎為24小時周期性的無線電信號。通過一年觀測分析，他確認該信號源自銀河系中心人馬座方向，由此揭開了射電天文學的序幕。

1937年，另一位無線電工程師格羅特·雷伯受此啟發，自掏腰包在自家后花園裡打造了人類有史以來第一台完全用於天文觀測的拋物面天線設備，也就是射電望遠鏡。至此，被星際塵埃遮蔽的廣闊太空世界第一次開始向人類展露真容。

衡量望遠鏡有兩個重要參數：靈敏度和分辨率。靈敏度決定是否“看得見”，而分辨率則決定是否“看得清”。望遠鏡的分辨率與工作波長和口徑之比有關，而射電望遠鏡接收的長波電磁波波長達米級或者分米級，是光學望遠鏡接收的可見光波長的上百萬倍。這意味著，射電望遠鏡需要做到光學望遠鏡的上百萬倍，才能達到同樣的分辨率。換言之，射電望遠鏡必須足夠大才能看得清。

1963年建成的美國阿雷西博望遠鏡，口徑達到305米，是當時世界上最大的望遠鏡。它通過發現並持續觀測脈沖雙星PSR1913+16，間接証明了引力波的存在，驗証了愛因斯坦的廣義相對論。從誕生之日起，阿雷西博望遠鏡統治了射電天文領域長達半個世紀。然而，隨著天文研究不斷向宇宙深處推進，阿雷西博望遠鏡的探測潛力日漸觸及極限。怎麼才能建出比阿雷西博望遠鏡更大、更靈敏的望遠鏡？換句話說，怎麼才能把人類的視野再往前拓展一步？在這兩個問題的驅動下，FAST的構想應運而生。

FAST的全稱是500米口徑球面射電望遠鏡。它究竟有多大？說500米，你可能沒有任何感知。但如果把FAST想象成鍋，裡面裝滿水，那它可以分給全世界70億人口每人4瓶500毫升礦泉水。

FAST全稱中的另外兩個字——“球面”也極其關鍵。射電望遠鏡反射面建成球面和拋物面各有其優劣。球面存在球差，平行電磁波經反射后不能匯聚到一個點上，而是會散成一條線或一個區域。而拋物面雖能將反射的電磁波匯聚到焦點上，但隻有沿著拋物面對稱軸入射的平行電磁波，才能被匯聚。

球面和拋物面，如何選擇？我國科學家提出的方案是：都要！

那球面和拋物面的偏離距離具體有多少？很少有人思考，當時，中國科學院國家天文台南仁東先生領導的專家團隊進行了計算，結果出乎預料。一個300米的拋物面，只要選擇合適的焦比，它跟球面偏離的最大距離隻有0.47米，大概是1/1000。

這是FAST成立的基石。

FAST建設中的三大突破

從理論構想到工程落地，我國科學家面前橫亙著一連串“前無古人”的難題。

第一個問題：台址選在哪裡合適？

對於FAST而言，選址並不是簡單地尋找一塊足夠大的空地，而是要在全國范圍內尋找一個條件近乎苛刻的地方。

首先，對地理區位條件要求高。有限的投資決定了只能選擇一個天然的窪地。對於這樣的超級工程而言，如果完全依靠人工開挖、建設基礎結構，工程量將十分驚人，土建成本約50億元，而FAST總投資約11.49億元。要是窪地，同時就要有較好的排水能力。FAST擁有大量精密電子設備和控制系統，如果窪地長期積水，不僅會影響設備壽命，還會增加維護成本和運行風險。不僅如此，穩定的地質條件也是基礎。對於一個大跨度精密工程而言，頻繁地震、地質沉降或者岩體滑移都可能造成嚴重影響。

其次，台站優良電磁波環境必不可少。天文信號在人為干擾信號面前實在是太過微弱。從第一台射電望遠鏡誕生至今，人們接收到的太陽輻射以外的天文信號能量總和甚至不足以翻動一頁書頁。因此，周邊人口稀少、優良的無線電環境是選址的必要條件。

經過初步條件篩選，貴州的喀斯特山區成了較為理想的選址區域。從1994年到2006年，12年間，科學家們通過衛星遙感把貴州喀斯特山區翻了個遍。南仁東和團隊從200多張遙感圖像裡，挑選出所有接近圓形的窪地，然后悶著頭鑽進貴州的大山裡，最終將目標鎖定在了貴州平塘的大窩凼裡。

第二個問題：怎麼實現反射面從球面到拋物面變化？

正如前文所提到的，FAST用於觀測的並不是整個500米口徑的球面，而是在局部區形成一個300米拋物面。最開始提出的方案十分直接——在窪地內部建設2000多個幾十米高的柱子，在每根柱子上安裝促動器，再由促動器帶動反射面板運動。但是，暫且不提幾千個幾十米高的柱子的土木工程量成本，如果促動器一旦壞了，修理起來十分麻煩。

因此，受到阿雷西博望遠鏡結構的啟發，團隊提出了一種大膽的設想：我們能不能做個網兜結構？網兜就像氣球一樣，拽一拽變成拋物面，鬆一鬆又變成球面，作為柔性系統也更好控制。具體來說，反射面是一張由6670根鋼索編制的索網，挂在一個由50根巨大鋼柱支撐的直徑500米的圈梁上﹔索網上鋪有4450塊、380多種反射面單元﹔索網下方是2225根下拉索，每一根下拉索都被固定在地面上的作動器上，通過操縱作動器，拉動下拉索來改變索網形狀，形成300米瞬時拋物面，從而對天文信號進行收集和觀測。

要實現反射面可改變形狀，就意味著構成索網的鋼索需像彈簧一樣有一定伸縮性。而這種鋼索的疲勞強度是現有標准的兩倍多，國際上都未有先例。不僅如此，每根鋼索的加工精度還要達到1毫米，把傳統標准提升了一個數量級。於是兩年的時間裡，科學家們持續全方位地改進索體工藝，一根鋼索要進行200萬次疲勞實驗。經歷了近百次的失敗后，最終成功解決了這個關鍵問題，實現了3項世界創舉：超大跨度、超高精度、主動變位式的索網結構。

第三個問題：怎麼實現饋源的精准定位？

阿雷西博望遠鏡的饋源艙是一個重約900噸的三角形平台，與可移動的饋源臂懸挂在主反射面上空，由連在三座百米級鐵塔的十幾根鋼索支撐著。巨大的平台，導致它天然地會遮擋很多電磁波，天線效率也隻有50%左右。

FAST希望找到一種更輕巧的解決方案。

最終，中國科學家提出了一個大膽構想：用6根繩子挂住一個30噸的饋源艙，這意味著幾乎對電磁波信號沒有任何遮擋，天線效率非常高。但是，六根繩索懸挂的饋源艙就像一個巨大的擺錘，容易受到風力影響產生晃動﹔同時，僅依靠繩索控制，也難以滿足饋源艙高自由度控制的要求。

那麼，遇到一個問題就打一個“補丁”。靠著這一塊塊“補丁”，最終形成了FAST獨具特色的三級控制模式——“粗調懸索+AB軸機構+精調Stewart平台”。AB軸機構裝在饋源艙中，可以像手腕一樣調整饋源艙姿態。而Stewart平台則加裝在饋源艙底層，讓接收機位置保持穩定進行二次精調。

FAST的建設是一個史無前例的超級大工程，涉及天文學、力學、機械工程和岩土工程等各個領域，並且每一個領域幾乎都是開創性的工作。

將從“單眼”升級為“陣列”

2016年9月25日，FAST建成啟用。

無可爭議地，FAST超越了阿雷西博望遠鏡，成為世界上最靈敏的射電望遠鏡。不僅如此，不管任何環境、任何天氣條件下，它都能做到細如發絲地控制精度。

工程建設的價值，要通過科學發現來體現。多年以來，FAST助力中國科學家取得了許多重大科學發現，而其中最具代表性的有兩個。

第一個，是FAST觀測發現了最短軌道周期的脈沖星雙星系統。我們都知道地球和太陽的軌道周期是一年，而這套雙星系統的軌道周期隻有53分鐘。這個發現的最大意義並不僅僅在於軌道周期最短，而是它恰巧處於一種極為罕見的演化階段——從紅背蜘蛛向黑寡婦系統轉變的臨界狀態。長期以來，天文學家普遍認為這兩類系統之間存在明確的演化關系，但始終缺乏關鍵的觀測証據。FAST發現的這一脈沖星雙星系統，則提供了重要的事實支撐，為人類理解雙星演化路徑，補足了曾缺失的最關鍵環節。

第二個，則是對納赫茲引力波的探測成果。納赫茲引力波由1983年Ronald W.Hellings和George S.Downs兩位科學家預言。此后，全世界成立了數個引力波探測組織，想要証實這個預言的真實性。想要探測納赫茲引力波，必須利用多個脈沖星。通過FAST對57顆高質量毫秒脈沖星的高精度測時，結合自主研發的數據處理算法，中國科學家僅用了3年出頭的數據，就在“4.6西格瑪置信度”下發現了納赫茲引力波信號，誤報率隻有二十萬分之一。而國際上，其他最高的置信度隻有4.0西格瑪。在這場20年前就開始的國際天文競賽中，FAST幫助中國科學家不斷提速，后發先至。

距離FAST建成至今，10年過去了。在此期間，射電天文的國際競爭從未停止，FAST的領先優勢可能面臨挑戰。

未來，FAST將何去何從？作為單口徑射電望遠鏡，FAST的分辨率天然地受到一定限制。例如在暗星系和快速射電暴方面，它能夠觀測到，但是無法定位到宿主星系，這嚴重限制了科學家在這些領域進一步取得突破。

盡管如此，FAST依舊有廣闊空間。接下來，FAST正在推動FAST二期工程，通過建設配套天線陣列，將“單眼”升級為“陣列”。具體而言，就是在FAST周邊建設數十台40米口徑的天線，構建全球首個“以巨型望遠鏡為中心、中型望遠鏡環繞”的混合口徑射電干涉陣列。未來，這些天線將與FAST進行聯合觀測，分辨率將提升到現有水平的200倍左右。這一升級方案，不僅將補齊FAST的分辨率短板，同時還可以進一步鞏固已有的靈敏度優勢，實現1+1遠大於2的效能。

（作者：姜鵬，系中國科學院國家天文台副台長、FAST運行和發展中心常務副主任、總工程師。本報通訊員劉衍希整理）