姜鹏：逐渐睁开的“中国天眼”｜2022腾讯科学WE大会视频回顾

以下为大会全程视频回顾：

以下为姜鹏总师演讲全文：

观众朋友们大家好，欢迎大家来到腾讯科学WE大会，我是国家天文台的姜鹏研究员，今天给大家带来的是“中国天眼”的故事。

今天我给大家介绍一下“中国天眼”的一些基本情况，因为它还有另外一个名字叫“500米口径球面射电望远镜” ，也简称为FAST。它之所以叫射电望远镜，因为它就是在射电这个大气透明的窗口观测我们的宇宙。

这个射电窗口的发现源于一次非常偶然的事件。在1931年，贝尔实验室委派一个叫卡尔央斯基的工程师，去研究干扰有线电话的来源是什么。他建造了一台长30多米、高不到4米的天线，然后这台天线20分钟可以转一圈，无意中监测到了一个（恒星日23小时56分）24小时周期的干扰源。

在1933年的一个听证会上，有人指出干扰来源可能是一个非地球起源，由此以光学为传统的天文学打开了一扇新的窗口，就是射电天文的这个波段的窗口，也叫无线电波段窗口。这个窗口的发现到今天大概有90年的历史，为我们贡献了很多影响人类对宇宙认知的重大科学发现，其中首当其冲的就是脉冲星。

脉冲星被认证为恒星死亡的产物，就是中子星，证实了朗道30多年之前的预言，也就是中子星的存在。同时也为我们认识恒星演化和发展规律提供了一个非常有价值的线索，因此这项工作也获得了1974年的诺贝尔奖。

另外一个不得不提及的重要发现，就是宇宙的微波背景辐射。两个工程师，一个叫彭齐亚斯， 一个叫威尔逊。他们做了一个号角式的天线，本来是想测试卫星数据下行速率这样一个问题，但是无意中发现，不管把天线指向任何方向 ，都有三k左右噪声无法消除。事后证明，这三k左右噪声就是宇宙大爆炸时期发射出的电磁波，经过红移和冷却，被我们现在以更长的波段、更低的温度接收到了。这个也是宇宙大爆炸模型非常有利的一块拼图，这项工作因此获得了1978年的诺贝尔奖。

其实科学家和工程师们一直做着各种尝试，突破这个极限，其中一个非常有趣的例子就是美国俄亥俄州做的一台大耳朵射电望远镜，它的形状很像人的一对耳朵，因此得名。它是一个二次反射的望远镜，采用一个全新的设计理念，在一个方向上突破了百米这样一个工程极限。

但是也因为它的设计理念，它只能在一个维度方向上运动，这也限制了在科学上的一些想象力，所以也没有产出能让世人铭记的科学成果，这也是稍微有遗憾的地方。

另外一个不得不提及的就是美国的阿雷西博望远镜，它是一台巨大的305米口径的球面反射望远镜。这台望远镜在1963年投入使用到2020年退出服役，在服役的57年里，为我们贡献了一系列的重要的科学发现。它第一次精确测量了水星的自转周期，第一次给出了金星的神秘面貌，一个雷达的天文图像，包括发现了第一个太阳系外的系外行星。尤其是在1993年 ，通过两颗脉冲星的相互绕转周期衰减的过程，间接证明引力波存在，获得了当时的诺贝尔奖。在它服役的57年里，超过半个世纪，它一直作为望远镜波段霸主性的存在，是一个统治者。结束它统治者地位的就是今天我们要介绍的“中国天眼”，FAST。

这是一个全新的设计理念，它用近万根钢索 ，编制成了一个500米口径的索网，挂在一个环梁上，然后索网有2000多根下拉锁还包括触动器，可以控制反射面变形。在它局部区域形成300米的抛物面，上面有多套索驱动，可以控制一个30多吨的馈源舱，能在140米高空 206米尺度范围运动，把接收机控制到焦点的位置上进行信号收集。这是一架极其复杂的望远镜系统，而且工作的理念跟传统望远镜完全不同。

在2011年3月份随着一声炮响，FAST开工建设了，也意味着FAST进入了工程实施阶段，对于我们这个团队来讲，这是一个标志性的里程碑意义的场景。

这项工程可以总结出几个特点，它具有超大型的结构工程的体量，比如相对于鸟巢等等，它都是数倍工程体量的存在。同时它又是一个天文望远镜，对精度要求又极高，是传统工程无法比拟的。巨大的工程体量、超高的精度要求这一对矛盾体，是整个FAST的建设阶段的核心的技术难点。

同时我们要面临的，还有贵州中卡斯特复杂的地形和地貌特征，因为大型设备没法进场。对于中国来讲，建造技术是中国工业领领域的一个优势项目，但是面对FAST这种特殊需求，甚至特殊环境来讲依然显得捉襟见肘。我们几乎所有的施工技术 ，都是专门为FAST设计的，包括圈梁的安装方案、包括馈源塔的安装方案、索网的安装方案等等，这些施工方案有些已经形成了国家工法，在施工技术领域也是最顶级的荣誉了。

另外一个不得不提及的 ，就是差点让FAST毁于一旦的索疲劳问题。刚才提到了索网要在球面和抛物面之间频繁变化，这就要导致钢索要长期承受500兆帕应力幅的疲劳载荷，这是在全世界范围内从未被实现过的钢索疲劳性能。因此我们进行了建国以来，最大规模的一次钢索的疲劳实验研制工作，经历了近百次失败，全方位改进索体的工艺，终于研制出FAST的成品索结构，这项工作也是FAST得以顺利推进的一个基础性的工作。

到调试阶段，我们面临的技术挑战其实一点也不亚于建设阶段的难度，因为FAST工作模式跟传统望远镜是完全不同的。你可以看到它下面是可以变形的500米口径的索网，上面是600米跨度的索驱动，这两套系统之间不像传统望远镜这样有刚性连接，它们之间没有任何刚性连接，所以它是两套完全独立的大跨度的柔性的控制系统。

要在公里级的尺度上实现毫米级的动态的控制精度，而且要在贵州这种多雨多雾的环境下实现全天候的运行能力，它对我们传统的望远镜测控技术提出了极大的挑战。

首先第一件事情我们就要保证望远镜安全运行。它下面是500米口径的索网和2000多台促动器组成的复杂耦合性控制系统，牵一发动全身。馈源舱要在140米的高空206米的范围运动，而且要通过6根绳子来控制，万一出一次问题都是致命的打击。所以我们采集系统的一系列安全储备的技术，包括基于力学仿真的安全评估系统，包括由馈源支撑控制的严谨周密的安全运行的逻辑等等，保证了整个望远镜安全平稳地运行。

下一步就是我们如何实现望远镜精准的控制。只举一个例子，我们采用的多系统数据融合测量技术。单一测量手段很难满足FAST所有需求，所以我们采用了像卫星导航定位、惯性组件、包括激光传站仪等多种测量手段，然后再利用数据融合的方法将不同的技术手段实现优势互补。一方面提升精度，另一方面提升整个系统的耐气候能力，这样才可以保证望远镜在高精度运行的同时，还能应对贵州省复杂的这种气候条件，保证这个望远镜是个好用的可靠的望远镜。

正是在这些专项技术创新的支持下，FAST终于实现了世界上最灵敏的射电望远镜。它的灵敏度相当于阿雷西博的2.5倍到3倍，结束了这台望远镜长达50多年半个世纪的统治历史。同时相比其他百米级望远镜，我们提升了一个数量级。

FAST的建成和使用，把人类视野大大的向前拓展了一步。那么拓展的视野让我们看到了什么，取得了哪些重要的科学成果？今天我就给大家介绍一下。

首先是“快速射电暴”。“快速射电暴”是2007年发现的一种新的天文现象，它在毫秒的爆发尺度（时标）里爆发，出太阳数天甚至一整年的能量，所以它的物理起源包括它爆发机制 一直是个未解之谜。

FAST这次高灵敏的探测，清晰测到了它的电磁波偏振角的变化，这就证明了致密的磁层结构，在它的爆发过程中起到了一个主导作用，预示着磁星可能是此类天体的主要来源之一，为它的物理起源给出了一个非常好的启示。同时我们近期又对一个快速射电暴重复进行了长时间的监测，得到世界最大样本的偏振测量信息，我们同时利用光学测量手段证实了宿主星系的位置。通过这次测量，我们第一次对快速射电暴起源的空间的物理环境进行精确的测量，对它爆发力物理机制等等产生了比较重要的成果。

另外一个成果就是星系介质恒星形成方面的研究成果。刚才图片左上角这片区域是一个冷暗云核，全世界的天文学家都认为它马上就要形成恒星了，但是在恒星的形成过程中，磁场到底扮演着什么样的作用，却是争论已久的科学问题。所以这次测量，我们利用中性氢窄线自吸收的的方法，第一次高置信度地测到了塞曼效应，也就是测到了磁场的分布。这次磁场分布的测量结果，直接为争论已久的科学问题给出了一个很好的实测结果、实测论断和实测证据。

前面提到的脉冲星也有一个非常有趣的科学成果。我们对一个超新星遗迹中的脉冲星，利用星际闪烁的效应，包括偏振测量，第一次实现了三维速度方向速度矢量的测量，这个有趣的结果也被 Nature 子刊接收发表。

目前FAST在普线探测方面也取得了比较丰富的成果。比如，在距离银河系中心22kpc的地方 ，发现了一个长达5kpc的中性氢纤维状结构，这可能是我们迄今为止发现距离银河系中心最远，尺度长度最大的中性氢纤维结构。有的科学家认为它有可能是银河系的另外一条旋臂。这提示我们，即便在我们身处的银河系，也有很多玄妙的问题等待着我们去探测和解决。

在星系的形成过程中，气体吸积过程到底对这个恒星、对星系的形成和演化过程，包括它维持起到什么样的作用，是科学界争论已久这样的问题。我们对M106的邻近星系进行了探测，就找到了一个超长的气体吸积流，这个是第一次探测到这样实证的案例，对我们理解星系形成和演化的过程有着非常重要和深远的影响意义。

我们现在所有发现的脉冲星总数已经超过660颗了，它是全世界脉冲星发现效率最高的射电望远镜，并已经产生一系列具有国际影响力的科学成果，包括我们在2020年入选了 Nature 和 Science 评选的十大突破和发现，2021年两院院士评选的十大科学进展等等都有FAST成果在列。

除了以上的丰硕成果，FAST是不是还有可能带给我们什么惊喜，肯定是我们还有期待已久的东西。如果是真有这样惊喜的话，我们就心满意足了。我们已经发现660颗脉冲星，但是这660颗脉冲星到底有没有我们期待的脉冲星黑洞双星系统，这个是非常有趣的问题。当然这需要大量的后续观测，还有后续的数据分析处理才有可能有结论。但是一旦有这样的双星存在的话，我们人类就可以第一次精确测量黑洞视界面附近的时空，可以在更极端的引力场条件下检验爱因斯坦相对论的正确性，我们甚至有些不怀好意地希望爱因斯坦相对论有瑕疵存在。这样的双星系统应该是检验瑕疵最有力的工具，同时脉冲星是我们宇宙中已知的最精准的时钟。

FAST的超高灵敏度可以把脉冲星测试精度提高到现有水平的5—50倍，这就使得脉冲星的计时精度有可能在全世界范围内 ，首次跨入到30个纳秒的水平。30纳秒的水平就意味着工程应用了，它不仅仅是科研研究了。大家都知道在工业体系里头，时间扮演着极其重要的角色，现在几乎所有的物理量的测量都在向时间这个参数进行递归。我们完全可以依照脉冲星测时，建立一套自主可控，包括完全独立的时间精准体系，这是区别原子时的另外一套介质系统。

我们现在的原子时已经显得独孤求败了，它本身是不是正确的，我们没有办法再去理解了。而这套系统完全有可能在更长的时间尺度内检验原子时的正确性，提供了另外一种校准的手段。

同时利用脉冲星测时，我们还有可能打开另外一扇窗口，就是纳赫兹引力波窗口。产生纳赫兹引力波窗口一定是两个星系巨大黑洞碰撞产生的结果。可以说我们天文学也已经进入了多波段、多信使的观测阶段，从某种意义来讲这扇窗口的打开，对我们理解宇宙的演化规律，那是有极其重要的意义的。

同时，FAST在雷达天文应用方面也具有它的重要意义。比如它如果精密配合的话，它有可能让人类首次具有毫米级碎片的探测能力。同时我们可以看到一些小天体的雷达成像图像，包括小天体的行星的物质成分等等。甚至在天体威胁观测方面它也是一个有利的手段。近地天体已经被认为是我们人类文明最大的威胁者，如果用射电天文的手段来讲，它对解析轨道是有非常大且强有力的支撑，对我们筛选这些威胁天体是非常有利的手段，所以它完全可以作为我们人类文明的安全卫士。

我们还想发现更奇特一些的脉冲星。比如我们能不能找到第一颗银河系之外的脉冲星。因为我们都知道脉冲星是恒星死亡的产物，那银河系的恒星死亡了会有脉冲星，按理说河外星系的恒星死亡也有脉冲星，但是我们至今还没有找到一颗河外的射电脉冲星。如果我们能找到一颗，那它的样本就会更加完备了。我们是不是能找到一个自转周期更快的脉冲星，比如亚毫秒的脉冲星，有可能组成脉冲星的物质成分就不再是中子物质，而是其他的物质，这对脉冲星的物态来讲又是一个挑战。所以这些成果对我们来说非常期待的，也非常渴望，也是世界物理学界的前沿最渴望解决的基本的问题。

FAST现在是世界上最大的望远镜，也是灵敏度最高的望远镜，但是它的霸主地位早晚有一天被终结，终结它的会是什么，我们未来要怎么样再继续把它的视野往前拓展，这是我们要面临的问题。

其实1974年诺贝尔奖获得者赖尔马丁就已经给出了一个方向性的解答，就是综合孔径成像技术，利用一群望远镜组成阵列，同时可以增加望远镜的灵敏度和分辨能力。但是如何组阵变成了一个具有争议的话题，现在大概有两种方案，一种是许许多多的小望远镜组成阵列，另外一种是少量的几个单体的大望远镜，这一群小望远镜组成阵列，就是现在演化出平方公里阵也叫SKA。

然后另外的几个大天线单独组阵，就是我们现在国内推起的叫FASTA，也叫FAST阵列。这两种方案，不管是从它的性能上，从它科学目标上，甚至建设的难点等等问题侧重点都是有所不同的，所以是争论了几十年的话题，所以未来会存在着很大的不确定性。

从另外一种意义讲，还有一种可能性，我们是否有可能找到更大的洼地，再建一个800米或者一公里的FAST。这也是有可能的，同样可以把人类的视野再往前拓展一步。尽管未来存在着很多不确定性，也存在巨大争议，但是依然阻止不了下一代观天巨眼的到来。让我们期待着吧，也许它正在向我们走来。

谢谢大家！