“中国天眼”是一架500米口径球面射电望远镜 （Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，缩写FAST），是目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜。“天眼”是她的昵称，因为她能够从地球上一直“看”到宇宙深处，甚至探测到宇宙形成初期的微弱信息。
FAST是一个大胆的创意。首先中国此前并没有建造大口径射电望远镜的经验，其次500米口径球面射电望远镜比当时世界上最大的单口径射电望远镜（阿雷西博305米）的口径还要大200米。这可不是简单的增大口径，因为口径的增大意味着重量急剧增加，为此而产生的加工、支撑、运转、控制等方方面面的难度都直线上升，采用传统方法建造肯定是不行的，必须在设计上采用创新的思路，在技术上采用创新的应用。
FAST第一大创新---选址
任何一个天文台的建立，选址都是第一要务。望远镜因接收辐射波段不同而分光学或射电望远镜。一般光学望远镜的观测环境主要是远离光污染等；而射电望远镜的观测环境主要是远离无线电干扰等。
FAST的选址是一个重要课题。我国贵州地区的喀斯特地形既是天然洼地（可以减少平地开挖安放望远镜的土方量），又是天然漏斗（有良好的天然排水系统），当地人口稀疏（无线电污染少，便于建立无线电隔离区）等。为了给FAST选出一个最好的台址，FAST项目组除人工实地踏查之外，还动用了当时最先进的遥感卫星系统、地理信息系统、全球定位系统等，进行计算机图像分析和多学科的数据测量比对，最后才在400多个候选地点中，选定了贵州平塘大窝凼宝地。
FAST第二大创新---反射面变形
FAST 500米口径的球面镜是无法加工成一块整镜面的。FAST的主反射面设计为由4450个小镜面单元（简称单元块）拼接组成，每一个单元块都是500米球面镜形状的一小部分，拼接后就组成了500米口径的大型球面望远镜的主反射面（大锅）。反射面的单元块也是由多块小面板拼装组成的构件。在每个单元块构件的连接处，还装有计算机控制的促动器，可施加不同的力调节各个单元块在整体布局上的几何构形，达到整体面型一致的要求。
FAST的小镜面组成的单元块（手绘图）
由可控制单元块拼接组成的FAST 500米口径球冠型反射面，不仅仅可以躺着不动进行观测，也能够把其中300米范围变换成一个可转动的抛物面镜做全转向式观测（比当今世界最大全转向射电望远镜100米级也大了200米）。
FAST主镜面变形示意图（手绘图）
FAST第三大创新---馈源支撑与高精度定位
美国阿雷西博射电望远镜获取观测信号的方式是主反射面不动而馈源舱移动。因射电波段很宽，一般馈源舱内装多个波段探测器，每一个波段探测器使用时都需要稍微移动使其与反射面的焦点对准。阿雷西博望远镜用3座铁塔撑起一套刚性背架，把馈源舱悬吊到反射面的焦点附近，系统重达1000多吨。按阿雷西博结构计算，口径若扩大到500米，馈源舱悬吊背架系统将重达万吨，不仅难以实现，而且不易控制，造价也将是天文数字。
阿雷西博望远镜的刚性背架（手绘图）
FAST项目组研制了一套创新的三级控制法，第一级用6个铁塔拉住6根轻型柔索联合施力拖动馈源舱初步就位，第二级和第三极由馈源舱内定位机构和并联机器人共同控制，实现了馈源舱（载有19套波段接收机）相对不同观测目标的高精度定位。
FAST轻型柔索驱动和高精度定位系统是目前世界上在建的最大的柔性牵引并联机构。此项成果已经在我国港珠澳大桥等新型大跨度桥梁建设中得以推广应用。
FAST的轻型柔索牵引（示意图）
FAST成果及国际地位
FAST作为当今国际上最大的单口径射电望远镜，其一流的综合性能和技术指标，无疑为我国和世界的科学研究领域提供了重要天文观测利器，也为国际射电天文界带来大发展的机遇。
FAST工程在技术研发领域同样成果卓著，对推动我国的天线制造技术、微波电子技术、并联机器人技术、大尺度结构工程、大范围高精度动态测量等相关科技领域的科技进步和创新发展都是大有裨益的。
FAST在公众中引起热议的成果是发现了上千颗脉冲星，超过同一时期国际其他望远镜发现脉冲星数量的总和。FAST能发现众多的脉冲星，主要依赖于它的灵敏度高，能够接收来自宇宙深处的微弱射电波（包括脉冲星信号），并通过分析这些辐射的周期性与脉冲信号的规律性来识别脉冲星。
脉冲星是20世纪60年代天文的四大发现之一，获1974年诺贝尔奖。目前科学家认为脉冲星是高速自转着的中子星，具有极高的密度和磁场，其辐射被限制由两磁极发出。我们能接收到的脉冲信号，就像我们乘坐轮船在海里航行，看到一座喇叭型灯塔射出的光一样。设想灯塔在不停地转动且从喇叭型窗口射出灯光，灯塔每转一圈，由它窗口射出的灯光就照到我们船上一次。在我们看来，灯塔的光就像脉冲一样不断地一明一灭。脉冲星的自转周期极其稳定，准确的时钟信号为引力波探测、航天器导航等重大科学及技术应用提供了理想工具。
脉冲星信号（示意图）
FAST核心阵的发展
2024年，为进一步提升FAST科学观测能力，保持领先的科学优势。科研团队提出利用FAST周边5公里内的优良电磁环境优势，建设24台40米口径全可动射电望远镜与FAST组成综合孔径阵。
FAST综合孔径阵（图片源于央视网）
该阵建成后，将进一步提升FAST的灵敏度优势和优良成图能力，聚焦极端致密天体（如黑洞等）的起源与演化等当前天文学前沿和热门的科学问题，有望在时域天文（主要研究对象是突发性出现和剧烈爆发类天体，它们是宇宙中壮观而神秘的自然现象）、宇宙的成分与演化和引力波暴等研究领域取得突破性成果，还可以在近地天体预警、深空卫星通讯等深空探测领域发挥作用为我国空天领域起到重要的战略支撑作用。
责任编辑：刘海华
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