此时，趴在锅沿的一缕阳光像一片金灿灿的黄油，顺着大锅慢慢滑入锅底，馈源舱随即缓缓升起，而大锅似乎被注入了生命，随之舞动开来，像一只巨大的眼眸，望向深邃的宇宙。
2002 年的一个下午，北京国家天文台内一个办公室里烟雾袅绕，几位重量级的教授正围着会议桌讨论着什么。桌上凌乱地叠放着一堆照片，照片里是当时世界最大的射电望远镜——阿雷西博望远镜各个角度的样子。
会议桌一角的任革学教授盯着一张馈源舱特写照片看了许久。馈源舱是射电望远镜的核心设备，一般固定在望远镜的正上方，收集来自望远镜反射面板聚集的宇宙信号。
图：阿雷西博望远镜的馈源舱（来源：depositphotos）他把这张照片递给了对面的 FAST 项目总工程师南仁东教授说：阿雷西博的反射面板是完全固定的球面，它通过球面和抛物面相似性原理，对远方的目标进行粗略观察，再通过格里高利三镜反射馈源舱采集信号，这么复杂的馈源舱再加上不锈钢外壳，重量足足有 900 吨重[1]。
他用手挥散了从对面飘来的烟团继续说道：如果 FAST 也采用同样的设计方案，这个馈源舱估计将近万吨[2]，而且按照传统设计建造，这个重量可能没法直接安装在超过 500 米跨度的横梁上。
南仁东教授沉思了一下，吐了一口烟说：我们可能要打破这个传统，用一种从来没有过的全新望远镜设计概念来建造 FAST。他举起了手中的照片：阿雷西博的馈源舱就是一个固定的电视机天线，只能调整指向，这个设计太传统了，不适合 FAST 这样的超大口径望远镜。我们要把 FAST 变成眼睛，减轻馈源舱的重量，让它能像眼珠子一样动起来。
站在一旁的研究员朱文白张大了嘴说：老爷子，建造 500 米口径的一个大锅就已经非常困难了，现在还要把馈源舱变成眼珠子转起来，是不是还要让大锅保持变形运动才能把信号聚焦到馈源舱上？这个想法听上去有点科幻啊！
老南掐灭了手里的烟头，喝了口水：我们不光要让 FAST 变形，而且精度还要控制在毫米级，也就是变形误差不能超过指甲盖的厚度 。
这个设想完全超出当时所有人的认知，大家都觉得这个设计太不可思议了，简直就是天方夜谭，能够按照这样的设计要求建造出来的可能性极低。但是正因为这个奇妙的设计方案，才让世界最大口径射电望远镜——中国 500 米口径球面望远镜（FAST）拥有了「天眼」的称号。所以中国天文科学家团队，到底是如何打破传统望远镜百米口径工程极限，完成这座天文望远镜的呢？要了解这个过程，故事还要重头讲起。
时间要拨回 1993 年，当时包括中国在内的十国射电天文学家在国际无线电科联（URSI）京都大会上，联合发起了新一代射电大望远镜的倡议，希望在地球电磁波环境被破坏前，在世界范围内建造新一代大射电望远镜。大会上形成了两种观点，一种是建设一堆小口径阵列望远镜，另一种是中国建议的大型单口径望远镜。不过其他国家都认为单口径大射电望远镜风险较大且可供建设的区域十分有限，并没有采纳这种方案。
图：1993 年四位 URSI 参会人员在京都合影（来源：美国国家射电天文台 NRAO）
不过，南仁东等天文学家并不这么看。中国幅员辽阔，地形地貌众多，从高原到盆地，从沙漠到丘陵，符合大型射电望远镜建设的区域较多。将来，我们完全有可能建设多个大口径望远镜，让他们组成更强大的望远镜阵列。
然后，这在当时只能是一个宏伟的设想。因为在 1993 年，我国最大的射电望远镜，还是在乌鲁木齐刚刚竣工的 25 米口径望远镜。这个口径，连阿雷西博望远镜的十分之一都还不到。
图：乌鲁木齐25米口径望远镜（来源：中科院新疆天文台）两年后，国家天文台联合国内 20 多家大学和研究机构成立了中国推进委员会，制定中国阵列望远镜先导方案。不过，饭要一口口吃，路要一步步走，宏伟的设想，也要先有一个可以实现的「小目标」才行。于是，委员会提出，先造第一座大型望远镜出来，口径就定在 500 米 。只是这个第一步，就已经大幅超越当时世界第一的阿雷西博望远镜了，这个小目标已经不能只用大胆和前卫来形容了。
项目首要问题是选定建设台址，大型天文望远镜的建设不是随便找一个地方就可以能搭起来的。首先需要地处偏远，人烟稀少才行，这样可以避开人类无线电的干扰；其次要依地而建，最好是四面高起的洼地，最大程度降低工程难度，还能有效屏蔽外界电磁干扰；另外最佳的建设地形应该是不易于积水的地貌区域。
经过 1994 年和 2002 年两轮勘测选址科研任务，于 2006 年正式选定贵州平塘「大窝凼」作为天眼的台址。在选址的同时，项目组又遇到了新的问题：反射面怎么运动才能最大限度降低馈源舱重量？世界上还没有一个望远镜这么设计过。
图：贵州平塘（来源：depositphotos）
像阿雷西博这样大型望远镜的反射面「大锅」一般采用的是固定方式，没法调整角度，但是星空永远都在运动。阿雷西博为了能够观察星空中的不同目标，采用了球面形状的「大锅」，利用了球面上各个角度都具有一样的光学反射这一性质，再加上球面和抛物面形状近似，就能够观测不同方向的天体了。
不过这个看似完美的方案却隐藏着不完美，抛物面可以把微波汇聚到一个焦点上，这样可以获得清晰的成像，但是球面的微波汇聚不是一个点，而是一条线，无法得到清晰的图像信号。为了解决这个问题，阿雷西博在馈源舱内采用了格里高利式光路反射，利用二次抛物面反射镜和三次抛物面反射镜，让信号微波能够汇聚集中，获得清晰的图像信号。
图：阿雷西博馈源舱（来源：美国国家科学基金会NSF）这么复杂的设计方案必然导致笨重的舱体，所以必须想个办法，既要利用好球面的优点，又能在必要时刻让球面变成抛物面，这样才能最优化解决这个问题。能让大锅动起来才是 FAST 正确的观测姿势。
为了让反射面能够顺利运动起来，反射面板一改传统设计，改为边长为 10.4 米到 12.4 米不等的 4450 块铝制反射面单元，这些单元拼接在 6670 根索网之上，通过索网下方的促动器拖动控制索网变位，形成抛物面。馈源舱的重量也因此可以降到 30 吨重左右，馈源舱飞到哪里，下方的反射面单元相应地变成 300 米口径的抛物面，其他地方同时还原成球面。
天文学家们还为此做了 20 米、50 米等不同尺寸的实验原型望远镜进行预研和验证，这个方案完全可行。
经过多年努力，FAST 项目终于在 2007 年 7 月得到国家发展和改革委员会批复立项，并于 2011 年 3 月开始在台址之上进行相关的土木工程，准备挖出一个深深的「眼窝」部分。
项目的各个环节似乎都有序进展着，一切都向着大家心中的方向发展着，所有人都干劲十足。不过这时，一个让整个项目几乎功亏一篑的事却发生了，南仁东带领的研究团队在天眼主动反射面设计方案上遇到了前所未有的难题。
原来问题出在主动反射面的钢索网部分。根据馈源舱在索网上照射位置的不同，索网被拉扯最厉害的部分需要被拉伸 47 厘米的距离。团队内的研究员姜鹏尝试了国内外十余根顶级强度的钢索，结果没几下就断了，没一根能够满足天眼的使用要求的。
这个突如其来的情况让项目组措手不及，原型望远镜的抛物面口径没有达到 300 米，钢索被拉伸的距离也没那么长，应力也没那么大，导致这个问题完全被忽视了。当时台址工的挖掘工作已经如火如荼地进行了，如果不能及时找出解决方案，整个项目就要面临终止的下场。不过当务之急还是需要搞清楚 FAST 到底需要怎样的钢索应力要求和疲劳度性能指标？带着这个问题，姜鹏首先对天眼未来 30 年的运动轨迹进行模拟分析，一个月的轨迹基本上还能看出是线条，时间拉长到一年之后，轨迹看上去就是一个黑团了。有了这些轨迹数据就能进行大规模力学仿真，每一根钢索在未来 30 年里所承受的压力范围和拉伸次数都有了精确分析[3]。不过分析结果反而让姜鹏更加愁眉不展，大约有 30% 左右的钢索会受到超过 300 兆帕的压力，这相当于在你的指甲盖区域压上两辆小轿车的重量。而有些钢索甚至需要承受到 445 兆帕的压力，普通钢索很难长时间反复承受这样的压力。这些钢索就如同天眼的眼部肌肉，为了使这些「肌肉」能够在 30 年甚至是 50 年内都能保持正常工作，天眼团队给每一条「肌肉」设置了一个超高的安全标准，即能够承受 500 兆帕的压力和 200 万次的拉伸，这个疲劳强度可是传统钢索标准的两倍还多，也就是说世界上没有现成的钢索能够使用。这个情况促使国家天文台联合了多家企业和高校进行研制，同时进行了有史以来最大规模且最系统的一次钢索疲劳度实验，从锚固损伤破坏到单丝磨损破坏，所有可能的破坏实验都做了一遍。不光如此，由于每一根钢索几乎都不是同一种规格，要么长度不一样，要么粗细不一样，这些钢索还要求有毫米级的成型精度，如果每根钢索加工精度差了 1 毫米，到钢索网边缘就要差 60 多个毫米了，所以任何一根钢索加工精度出现偏差，整个项目也会有失败的风险。为了控制生产过程中的精度误差，项目组为这些钢索建立了恒温房，保证每一根钢索在加工过程中减少部分环境温度变化的影响。不仅如此，每一根钢索在加工过程中都要进行实时录像建档，方便日后问题追查和修正，可谓是史上最严苛的质量保障流程了。在历经了两年多的时间和数不清的失败之后，终于生产出第一根适用于天眼建设的钢索。正是由于工程师们这种孜孜不倦的精神，才能成功研制出如此特殊的钢索材料，为天眼的建设奠定了扎实的基础。除了天眼工程外，这种抗高疲劳度的钢索也成功应用在之后的重大项目中，例如港珠澳大桥、京沪高铁、南水北调工程等等，为国家的基建又作出了巨大的贡献。[4]钢索难题突破性的进展，让FAST「眼窝」得以在 2014 年开始支起负责承重的骨架，并在 2015 年 8 月 2 日开始第一块「视网膜」反射面板的拼装工作。
图：FAST施工现场（来源：depositphotos）
在经过 5 年多的建设后，FAST 终于在 2016 年 9 月 25 日那天迎来了第一批观众，他们围站在四周的观景台上，齐刷刷地注视着锅底中心的馈源舱。此时趴在锅沿的一缕阳光像一片金灿灿的黄油，顺着大锅慢慢滑入锅底，馈源舱随即缓缓升起，而大锅似乎被注入了生命，随之舞动开来，像一只巨大的眼眸，望向深邃的宇宙。此时四周掌声雷鸣，很多人的眼中滚下了激动的泪花。这只「大锅」正式落成，标志着「天眼」使命正式开始，而它的征程这才刚刚起步。
图：FAST竣工（来源：depositphotos）从 2017 年 8 月开始，FAST 正式启动了多科学目标同时扫描巡天计划，简称 CRAFTS 项目。在对 2017 年 8 月 22 日采集的数据进行分析研究时，发现在一段 52.4 秒漂移扫描的数据，其中包含了一颗评分极高的候选脉冲星（PSR J1859-01），脉冲周期为 1.832 秒，距离地球 1.6 万光年，项目组随即向第三方天文望远镜请求第二次确认观察。
2017 年 9 月 10日 那天，澳大利亚帕克斯望远镜对同一天空区域进行了跟踪观测，获得了同样周期和离散度的微波信号，从而确认了第一颗被 FAST 发现的脉冲星。不过从两个望远镜收集到的信号量来看，帕克斯需要「瞩目凝望」2100 秒才能抵上FAST「浮光掠影」所能看到的信息量。
这就难怪 FAST 从正式运行到 2021 年虽然只有短短的 3 年多时间，但 FAST 所发现的脉冲星数量早已达到了 500 颗之多，是同一时期国际上其他望远镜发现数量总和的 4 倍还多。2021 年 4 月 1 日，FAST 正式宣布向国际科学界开放，天眼不应该只属于中国，它更应该属于全人类。正如南仁东教授所说过的那样：人类之所以脱颖而出，就是因为有一种对未知的探索精神。而这种探索精神是无国界的。
FAST 只是中国 SKA 计划的第一座望远镜，SKA 的意思是「21世纪的国际射电望远镜」，要在全球选址建立一平方公里实体接收面积的射电望远镜阵列。虽然这个国际超级射电望远镜的中心最终并没有落在中国境内，但是我们还是不能忘记曾经的宏伟计划。中国 SKA 简称 KARST 计划，大致分成四个区域，包括 FAST 所在的核心区域会建设 10 座望远镜；在核心区外半径 2.5 公里范围内形成中央区，会有 15 座望远镜；中央区外是外围区域，半径大约有 150 公里，将会有 25 座望远镜；最外层是 3000 公里半径的遥远区域，共有 11 座望远镜，包括上海佘山、北京密云、乌鲁木齐等地的望远镜都将参与其中[5]。
图：SKA首台天线2018年2月在石家庄启动（来源：SANGHEE LIU）回看这段历史，中国的天文学家们在没有任何经验可以借鉴的情况下，设计出了一个雄伟又特殊的望远镜，恐怕也只有中国这样的基建强国才能完成这个看似天方夜谭的庞然大物，可以说这是世界建筑史上的奇迹！FAST 的成功建设是中国几代航天人的努力成果，让全人类可以看到更古老的宇宙。这个世界上最大单口径望远镜，它的意义已经不言而喻了，它甚至有可能成为大口径望远镜的终结者。凝结了无数心血和汗水的 FAST 还在等待更多的有志青年投身其中，为人类继续探索未知而浩瀚的宇宙。
https://www.zhihu.com/question/23672604
- https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1534392
- http://arxiv.org/abs/1504.07719
- http://www.ovm.cn/about?id=1&subId=60
- https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFD2005&filename=DZDQ200503013&uniplatform=NZKPT&v=eKNq_Hlo2Q03XiNQfEi_HMiP0xfxPFwma3ahBYWzZYCaUrLac6m_pGv9f9CL2B5E
