超级天眼

**500 米口徑球面無線電望遠鏡**（英語：**F**ive-hundred-meter **A**perture **S**pherical radio **T**elescope，簡稱 **FAST**）又被稱為「**中國天眼**」，是中國科學院國家天文台的一座無線電望遠鏡，其落成後至今仍是為世界上最大的單孔徑望遠鏡。

FAST 主體工程於 2011 年開工，2016 年落成；是目前世界第一大的填充口徑（即全口徑均有反射面的）無線電望遠鏡；若不局限於球面無線電望遠鏡，則是僅次於俄羅斯 RATAN-600 環狀無線電望遠鏡的世界第二大的單一口徑無線電望遠鏡。

## 歷史

1994 年，國家天文台提出建造 FAST 項目的設想並開展預研工作。1994 年 4 月，預研究及貴州選址工作啟動。

以哈爾濱工業大學空間結構研究中心沈世釗院士、范峰教授、錢宏亮教授為首的研究團隊，自 2003 年起全程參與 FAST 項目結構系統的預研、可行性研究和初步設計。

在 2007 年 7 月國家發展及改革委員會批准此一專案，哈工大作為第一合作單位，負責反射面結構系統的初步設計。

經過考察，望遠鏡的建設定點定在貴州省平塘縣克度鎮大窩凼窪地，利用喀斯特窪地的地勢而建，村民隨即搬遷；為了避開電磁波干擾，居住在望遠鏡半徑 5 公里內的 9,110 位居民亦被搬遷。中國政府為當地居民的搬遷投入了約 2.69 億美元的扶貧資金和銀行貸款，而望遠鏡本身的建設費用僅為 1.8 億美元。在 2008 年 12 月 26 日，在施工現場舉行了奠基儀式。2011 年 3 月 25 日，FAST 工程正式開工建設。2012 年 12 月 31 日，台址開挖主體工程竣工。2013 年 12 月 31 日，FAST 完成鋼結構主動反射面環形支撐圈梁的製造與安裝。。2014 年 11 月 30 日，饋源支撐塔建成。2015 年 2 月 4 日，大跨度索網安裝工程完成。2015 年 8 月 2 日，第一塊反射面單元成功吊裝。2015 年 11 月 21 日，饋源艙成功起艙進入聯調階段。2016 年 7 月 3 日上午，最後一個面板安裝完成，FAST 望遠鏡主體工程完成。

2016 年 9 月 25 日，FAST 望遠鏡正式開光，開始測試和調適設備。第一次觀測是在主反射器沒有活動的情況，以它固定的形狀配置下進行，並藉由地球的自轉掃描天空。因為較長的波長對反射器形狀誤差的寬容度較大，隨後的早期科學研究將在較低的頻率下進行，以使主動表面達到其設計精度。校準各種儀器需要三年的時間，之後就會全面投入運行，中國進入觀天時代。終極目標在尋找宇宙規律（Looking for the law of the universe）。2017 年底，預計首批觀測數據公佈。

2017 年 10 月 10 日，中國科學院宣布 FAST 首次新發現兩顆脈衝星，其中一顆編號 J1859-0131 (又名 FP1-FAST pulsar #1)，自轉周期為 1.83 秒，據估算距離地球 1.6 萬光年；一顆編號 J1931-01 (又名 FP2，隨後被證實該脈衝星已於 2007 年被美國 GBT 望遠鏡 350 MHz 漂移巡天項目所發現)，自轉周期 0.59 秒，據估算距離地球約 4100 光年。這兩顆脈衝星分別由 FAST 於 2017 年 8 月 22 日、25 日在南天銀道面通過漂移掃描發現。

2018 年，「中國天眼」安裝並調試了專門用於地外文明搜索的後端設備。這個功能有點像篩子的後端設備，主要就是從「中國天眼」浩如煙海的電磁信號中，篩選出有用的窄帶候選信號，而把天體和人工信號排除掉。美國加州大學伯克利分校地外文明研究團隊基於幾十年的地外文明搜索經驗，攜手中國科學院國家天文台，為「中國天眼」量身開發了這套專門設備。北京師範大學天文系宇宙學與地外文明研究團組張同傑教授預計 2020 年 9 月後可以投入新觀測，啟動針對地外文明的搜索。

建成後超越波多黎各的阿雷西博天文台，成為世界上最大的單面口徑球面無線電望遠鏡。

該項目最初的預算是人民幣 7 億元:49，最終的造價是人民幣 12 億元（1.8 億美元）。主鏡促動器也產生無線電干擾，由於沒有現成的防護罩，所以需要自主研製防護罩以抑制主鏡像促動器的電磁干擾（radio-frequency interference，RFI）。2015 年，主鏡促動器經過重新設計後安裝在 FAST，干擾問題已不再發生。

2018 年，FAST 安裝並調試專門用於地外文明搜索的篩選的窄帶候選信號後端設備，該設備由加利福尼亞大學柏克萊分校的地外文明研究團隊開發；2020 年中設備升級，同年 9 月後投入新觀測。

2020 年 1 月 11 日，FAST 通過驗收，正式投入運行。

2021 年 4 月 1 日起，FAST 對全球科學界開放，徵集來自全球科學家的觀測申請。

2022 年 3 月，「中國天眼」觀測到宇宙極端爆炸起源證據，這一發現於 18 日刊登於國際權威學術期刊《科學》雜誌。

2022 年中期，中國科學院國家天文台研究員李菂領導的國際團隊，通過中國天眼 FAST 的「多科學目標同時巡天（CRAFTS）」優先重大項目，發現了迄今為止唯一一例持續活躍的重複快速無線電暴 FRB 20190520B。之後該團隊通過組織多台國際設備天地協同觀測，綜合無線電干涉陣列、光學、紅外望遠鏡以及空間高能天文台的數據，將 FRB 20190520B 定位於一個距離我們 30 億光年的貧金屬的矮星系，確認近源區域擁有目前已知的最大電子密度，並發現了迄今第二個 FRB 持續無線電源對應體（Persistent Radio Source , PRS）。上述發現揭示了活躍重複暴周邊的複雜環境有類似超亮超新星爆炸的特徵，挑戰了對 FRB 色散分析的傳統觀點，為構建快速無線電暴的演化模型、理解這一劇烈的宇宙神秘現象打下了基礎。該成果於北京時間 2022 年 6 月 9 日在國際學術期刊《自然》（_Nature_）發表。

2022 年，中國科學院國家天文台研究員徐聰領導的國際團隊利用中國天眼 FAST 對緻密星系群「史蒂芬五重星系」及周圍天區的氫原子氣體進行了成像觀測，發現了 1 個尺度大約為 2 百萬光年的巨大原子氣體系統，這是至發現時為止在宇宙中探測到的最大的原子氣體系統。該成果於北京時間 2022 年 10 月 19 日在國際學術期刊《自然》雜誌發表。

## 科學任務

FAST 的網站列出了下列項目做為這架電波望遠鏡的科學目標：

1. 大規模中性氫的巡天調查
2. 脈衝星的發現
3. 領導國際 VLBI 的網路
4. 檢測星際分子
5. 檢測星際通信訊號
6. 脈衝星計時陣列

FAST 望遠鏡於 2016 年 10 月加入 SETI 的突破傾聽專案，以尋找宇宙中的智慧外星通信。

## 與阿雷西博天文台的比較

FAST 的基本設計與現已坍塌的阿雷西博天文台的電波望遠鏡相似：兩者都是在天然形成的滲穴內安裝固定的反射器，反射器以穿孔鋁板製成，上方懸掛著有可移動的接收器。兩者的有效口徑也都小於主鏡實體的尺寸。但是，除了大小之外，還有五個顯著的差異。

首先，阿雷西博的反射盤是固定的一個球形。雖然它也懸掛在鋼纜網上，下面也有支撐可以微調它的形狀，但它們僅用於維護，並且是用手動操作和調整。它是一個固定的球形，並且有兩個額外的反射器懸掛在上面，以修正由球面產生的球面像差。

其次，阿雷西博的接收平台固定在一個定點。為了支撐附加反射器更大的重量，主要的支撐電纜是靜態的，唯一電動的部分是用於補償熱膨脹的三個抑制絞車:3。天線安裝在平台下方的旋轉臂上:4。這種較小的運動範圍限制它只能查看天頂距 19.7° 範圍內的物件。

第三，阿雷西博可以接收更高的頻率。組成 FAST 主反射器的三角形面板限制了其近似拋物面的精確度，因而限制了它可以聚焦的最短波長。阿雷西博更嚴格的設計使其能夠將銳焦保持到 3 公分的波長（10GHz）；FAST 的限制為 10 公分（3GHz）。二階位置控制的改進，或許可以將其推進至 6 公分（5GHz），但主反射器成為最終的限制。

第四，FAST 的盤面更深，有助於更廣大的視野。儘管 FAST 的盤面直徑比阿雷西博的大 64%，300 米 300 公尺（980 英尺）:3 的曲率半徑也比阿雷西博的 270 公尺（870 英尺）大，形成的圓心弧是 113°（阿雷西博是 70°）。儘管阿雷西博在觀察天頂時可以使用到全口徑的 305 公尺（1,000 英尺），但典型的傾斜觀測的有效口徑只有 221 公尺（725 英尺）:4（因為阿雷西博的位置接近赤道，所以可以經由地球的自轉掃描到較大部分的天空而得到補償。阿雷西博位於北緯 18.35°，而 FAST 位於北緯約 25.80°N，向北偏移了約 7.5°）。

第五，阿雷西博的大型二級平台擁有幾個發射器，使其成為世界上僅有的兩個雷達天文學儀器之一。在 NASA 的資助下的行星雷達系統，使阿雷西博可以研究從水星到土星的固體物質，並對近地天體，特別是有潛在威脅天體，執行非常精密的軌道測定。阿雷西博還有幾個由 NSF 資助研究電離層的雷達。對於 FAST 的小型接收平台艙而言，這些強大的發射機是太大、太重了，因此它將無法參與行星防禦計畫。

## 技術細節

由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。主動反射面是由上萬根鋼索和 4450 個反射單元組成的球冠型索膜結構，其外形像一口巨大的鍋，接收面積相當於 30 個標準足球場。
其創新設計方案為西安電子科技大學首提，由懸索支撐的饋源艙與饋源定位技術也源自該校。

FAST 有一個固定在自然凹陷的滲穴景觀（岩溶）中的主反射器，將接收到的電波聚焦在懸掛在其上方 140 公尺（460 英尺）的 "饋源艙" 的接收天線上。主反射器用穿孔鋁板製成，由懸掛在輪緣上的鋼纜網支撐，

FAST 的表面由 4,450 片每邊長約 11 公尺（36 英尺）的三角形組成測地線圓頂的形式。位於下方的 2,225 個絞車使其成為主動表面，可以拉動面板之間的接頭，將柔性鋼纜支架變形為與所需天空方向對齊的拋物面天線。

反射器上方是由六個高塔支撐，使用絞車伺服機構移動的一個輕型的電纜機器人 "饋源艙":13。接收天線安裝在斯圖瓦平台的下方，可以提供精細的位置控制，並補償風運動等的干擾:13，使指向精度可以高達 8 弧秒:24。

在天頂角 60 度的最大範圍內，有效的照明光圈會降低至 200 米，當有效且無損耗的照明光圈為 300 米時，角度為 26.4 度:13。

儘管反射器的直徑為 500 公尺（1,600 英尺），但一次只能使用直徑 300 米的圓（維持正確的拋物面形狀的接收器照亮面）:13。

它的工作頻率在 70MHz 至 3.0GHz，此參數接近拋物面鏡可以設置的精確度上限。它可以略有改進，但三角形段的大小限制了可以接收的最短波長。此範圍由饋源艙下的 9 個接收器覆蓋:30，1.23–1.53GHz 頻帶是氫線周圍的頻率，使用澳大利亞聯邦科學與工業研究組織製造的 19 束接收器。這是澳洲科學院和中國科學院合作的澳中天體物理研究聯合會的一部分。

蒐集到的大量資料將由澳大利亞伯斯國際電波天文學中心（International Center for Radio Astronomy，ICRAR）和歐洲南方天文台開發的次世代檔案系統（Next Generation Archive System，NGAS）儲存和維護。

## 項目團隊

「中國天眼」工程的發起者及奠基人是中國科學院國家天文台研究員南仁東。自 1994 年起，他一直負責工程的選址、預研究、立項、可行性研究及初步設計，編訂了科學目標，指導了各項關鍵技術的研究及試驗。他在生前也擔任「中國天眼」的首席科學家兼總工程師。

* 現任總工程師：姜鵬（中國科學院國家天文台研究員）
* 現任副總工程師：李菂（中國科學院國家天文台）、錢宏亮（哈爾濱工業大學威海校區海洋工程學院院長）等

學院一直難以為望遠鏡尋找到工作人員。以它的規模，需要大量的工作人員，但因為位置偏遠，很難吸引到天文學家，使得望遠鏡不太可能在一段時間內滿載運行。由於中國幾乎沒有電波天文學家，他們在國際上招募工作人員，但工資不高，許多人也擔心這個高規格的專案在管理上會很嚴格。

自 2017 年 5 月以來，由於原首席科學家南仁東因病離職，學院一直在為 FAST 尋找合適的首席科學家，但全球符合資格的專才寥寥可數，一直未能填補這個職缺。雖然人們普遍引用的待遇是 120 萬美元，但這是一次性的研究補助金，而不是薪資或持續性的資助。後來首席科學家職位尋來美國康奈爾大學射電天文博士李菂擔任。

## 人為電磁活動干擾

當地政府希望通過 FAST 景區吸引遊客赴當地參觀，發展旅遊業，但遊客攜帶的產生電磁輻射的電器設備則有可能對望遠鏡觀測造成影響，就關於人為電磁活動影響 FAST 科學探測的問題，貴州省人民政府在 2013 年發布了具有採用分層級的方式控制電磁波干擾的《貴州省 500 米口徑球面無線電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》，該辦法於當年 11 月 1 日起執行、規定了以 FAST 台址為圓心，將周邊 30 公里內設置為寧靜區，區間內又細分有半徑 5 公里內的核心區，5 至 10 公里內的中間區，10 至 30 公里內的邊遠區；辦法第十條規定核心區內嚴禁設置、使用無線電台（站），嚴禁建設產生輻無線電磁波的設施。2019 年 1 月，貴州省人民政府公布新版《貴州省 500 米口徑球面無線電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》，該辦法於當年 4 月 1 日起施行。新辦法規定 FAST 電磁波寧靜區核心區內禁止擅自攜帶手機、數位相機、平板電腦、對講機、無人機等無線電發射設備或者產生電磁輻射的電子產品，最高處罰上限由 5000 元提高到 20 萬元，同時調整了空域上空現有航線，移除半徑為 30 公里的空域並劃設飛行管控區，該空域內不再規劃新航線。

## 軼聞

* 2018 年 10 月 29 日，《科技日報》以《「中國天眼」10 萬年薪難覓駐地科研人才》為題，報導了 FAST 駐地人員招聘難的情況。根據此報導，FAST 準備以人力派遣形式，按工資加駐地補貼每年約 10 萬人民幣的待遇招聘駐地人員，但招聘時遭遇市場冷遇。有評論認為，FAST 招聘門檻很高，但工作枯燥、位置偏僻、待遇太低，與其他行業相比沒有什麼吸引力，招聘失敗應該在意料之中。
* 終於，在 2021 年 4 月 22 日舉行的一場媒體溝通會上，總工程師姜鵬表示天眼團隊人數已超一百多人。
* 該望遠鏡出現在奈爾・德葛拉司・泰森的電視節目《宇宙時空之旅：未知世界》的《在地球上尋找智慧生物》（The Search for Intelligent Life on Earth）一集中。

## 參見

## 參考資料

## 進階讀物

* Nan, R.; et al. Kilometer-square Area Radio Synthesis Telescope – KARST (PDF). 2002-06-16 [2020-01-05]. （原始內容 (PDF) 存檔於 2006-10-29）.
* Jin, C. J.; Nan, R. D.; Gan, H. Q. The FAST telescope and its possible contribution to high precision astrometry (PDF). Proceedings of the International Astronomical Union. October 2007, **3** (S248): 178–181 [2020-01-05]. Bibcode:2008IAUS..248..178J. doi:10.1017/S1743921308018978 . （原始內容存檔 (PDF) 於 2017-04-07）.
* Li, Di; Pan, Zhichen. The Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) Project. Radio Science. 2016-12-30, **51** (7): 1060–1064. Bibcode:2016RaSc...51.1060L. arXiv:1612.09372 . doi:10.1002/2015RS005877.

## 外部連結

* 500 米口徑球面無線電望遠鏡官方網站（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* 南仁東. 500m 球反射面射电望远镜 FAST. 中國科學：物理學 力學 天文學. 2005, **35** (5): 449–466 [2022-09-01]. doi:10.3969/j.issn.1674-7275.2005.05.001. （原始內容存檔於 2022-09-01）.
* YouTube 上的 Building the world's largest radio telescope – BBC News
* YouTube 上的 FAST: The World's Largest Telescope – China Icons (25 September 2016)