若遇到暴雨“天眼”會裝滿嗎?怎麼排水?不得不說厲害了我的國

FAST的誕生

從地球到月球，再到火星、土星，太陽系的觀察已經不能滿足人類的求知慾，如今我們將目光望向遠方，宇宙深空。

在這裡，我們將藉助

射電望遠鏡

來觀察宇宙的秘密，瞭解我們星系的過去，研究宇宙的未來。

國內在最近的幾年的天文觀測中突然發力

，我們在過去已經發現了

數百顆脈衝新星

。

今天我們透過

FAST

對本地宇宙進行大規模原子氫觀察，對天體和星系的形成進行探索。

這個像一口大鐵鍋一般的物體正是中國天眼，全稱為

500米口徑球面射電望遠鏡

，簡稱FAST。

它是中國中科院天文臺第一座超大射電望遠鏡，也是

全球最大的單孔徑望遠鏡

。

如果不侷限於球面無線電望遠鏡，它也是

僅次於俄羅斯RATAN-600環狀射電望遠鏡的世界第二大單一口徑的射電望遠鏡

。

FAST的基本設計來自已經坍塌的

阿雷西博天文臺

，兩者都是在天然形成的滲穴內安裝固定的反射器進行建設。

從伽利略時代開始，光學望遠鏡的出現為人類打開了一扇新世界的大門，開啟了人類藉助科技裝置探索宇宙的新紀元。

而在過去幾百年的觀察中，尤其是天文學在20世紀的迅速發展。

科學家認識了宇宙中的基本輻射和觀測方法，同時也認識到

傳統光學裝置對宇宙觀測的侷限性

。

考慮到

光和射電

廣泛存在於宇宙中，並且都屬於電磁波。

但射電波長更容易幫助天文學家觀測宇宙，尤其在

光學段輻射

非常微弱的情況下，射電的優勢便體現出來。

考慮到這些，射電望遠鏡的構想開始在美國構建。1963年，傳奇射電望遠鏡

阿雷西博射電望遠鏡

出現，口徑達到了

305米

。

它靜臥在窪地中，透過地球的自轉和接收機來觀測不同星空區域的天體訊號。

阿雷西博射電望遠鏡在天文學方面的貢獻不言而喻，並且給美國帶來的了許多實質性的突破和研究。

中國在80年代末期也決定建設自己的天文觀測臺，到了

21世紀

，相關建設正式開始。

從結構設計來看，

FAST與阿雷西博射電望遠鏡非常相似

，但兩者在口徑差距表現巨大，簡答來講，口徑越大，能夠接收到的訊號也就越多，並且工作也更穩定。

大面積的反射面

提升了FAST的靈敏度，

更多的支撐塔

帶來了安全效能。

FAST的精妙佈局

儘管兩者在不少地方有著相似之處，但是FAST無論是設計建造，還是能力方面都高出阿雷西博望遠鏡幾個量級。

從設計方面來講，

阿雷西博是有較大缺陷的

，並且它的倒塌也正是因為這種缺陷讓它徹底退役。

阿雷西博的反射面系統是

固定球面

，這就導致它反射的電磁波

不能自動聚焦

。

為了解決這一問題，美國天工程師為其加裝了一套附加系統。

在遠離反射面的高處新增一個二次反射系統，這樣一來就能將接收到的訊號進行聚焦。

不過這樣的設計導致阿雷西博望遠鏡變得

十分笨重

，總重量超過1000噸。

而承載它主要重量的則是依靠由

18根鋼纜懸掛的3個支撐塔上

。

從這方面來講，阿雷西博望遠鏡的

形體結構容易出現不穩定

，特別容易受到大風天氣的影響。

此外，它的選址並不是完美的一個窪地，底部的地理結構讓它沒辦法很好地利用地形優勢來最佳化結構設計。

最終在長期的

金屬應力疲勞

，以及多年的使用中，阿雷西博射電望遠鏡倒在了2020年8月的一場颱風中。

因此我們在設計FAST的時候著重考慮瞭望遠鏡的地理位置選擇、承重考量、安全加固、材料使用等等。

儘可能讓

FAST輕量化

、結構更可靠，安全效能更高。

首先是球面望遠鏡的形體設計，我們拋棄了傳統拋物面望遠鏡的結構設計，採用球面結構設計。

經過

天文學家

南仁東

以及他的團隊計算，只要可以滿足合適的交比，300米的拋物面跟球面的偏離只有1。5%，大約為0。47米。

基於這一點，

FAST便建立出

基準球面

，並以此為基礎。

只需要建造出這個基準球面，再略微改變一下反射面形狀，就能在球面上形成300米的拋物面。

這裡面最關鍵的地方便是選址，將其建設在哪裡，如何製造則是主要問題。

這時也許有人會提問，

這麼大一口“鍋”放在這裡，難道不會積水嗎？

事實上這也算在了

選址

和

結構設計

中

，正如我們前面所說，FAST的靈感來自阿雷西博望遠鏡，它的選址在

喀斯特窪地

中。

為了給FAST挑選一個合適的場地，我國從1994年開始便藉助遙感探測在全國範圍內進行天然大坑的篩選。

這個大坑必須滿足大型工程建設，能夠放下一臺直徑500米的射電望遠鏡，地基結構牢固。

同時最重要的，排水暢通無阻。經過專家們各地走訪，挨個排查了400多個窪地後。

FAST的選址最終選在了距離平塘縣城85公里外。羅甸縣城45公里附近的

金科村大窩峪岩溶窪地

。

貴州最不缺的就是喀斯特地貌，並且當地有著極佳的

天然大型地陷

，俗稱

落水洞

。

展望宇宙

另外這裡維度相對較低，能夠觀察到更南部的銀河系物體。

亞熱帶氣候溫和，雖然會有雨雪天氣，但不會出現結冰，這樣便降低了一部分成本。

地下的排水效果良好

，歷史上當地也沒有水淹和毀滅性地震的記載。

有了

自然條件的保障

，FAST的排水工作便很好解決了。

事實上FAST的表面是由4450塊獨立的三角形組成的大型拋物面，

每個連線處都有細小的孔隙方便雨水滲透

。

滲透出來的水流沿著隧道系統流向窪地的地下水水洞，完成引水迴圈。

所以我們也不用擔心雨水會聚集在射電望遠鏡裡面，要是真拿它來裝水，FAST的儲水量可以給全球每個人來4瓶標準量的礦泉水。

美國在過去幾十年的天文建設中很少再有阿雷西博這樣的大型望遠鏡，很大程度上就是因為這種裝置比較

依賴地形

。

而

美國的喀斯特地貌並不完善

，但在中國，

雲貴川地區最不缺的就是喀斯特地貌

，大大小小的落水洞數不勝數。

另外，就算選址能夠滿足，觀測條件也是一大限制因素。

所以從這方面來講，國內建設大型射電望遠鏡有著天然的優勢。

要說這臺大傢伙的用處那可多了去了，

FAST可以對宇宙起源進行觀測

，瞭解整個太陽系與地球的聯絡。

在無線電頻率上，FAST能夠透過觀察瞭解到宇宙中的原子氫，中等程度的紅移等等。

由於其靈敏度的提升，FAST能夠更好地觀測到毫秒脈衝星、雙星脈衝星、河外脈衝星等。

其中最有看頭的就是

脈衝星-黑洞雙星

，它能為科學家提供黑洞的精確資訊。

從2016年執行開始，中國在天文學方面的相關論文已經發表了數百篇，並且不少都是新發現的內容。

例如在2022年3月的觀察中發現，電脈衝爆發起源來自宇宙中的

雙星系統中的

磁星

。

又或者是快速射電暴的觀察，科學家已經發現了多個候選訊號來源，並且

鎖定了幾個相關的天體

。

中國天眼工程的成功幫助我們進一步瞭解宇宙，

同時也在逐漸找回中國科學和文化自信，並使全世界重新瞭解到中國科技的魅力與貢獻。

如今的觀察還在繼續，一個屬於中國的天文時代正在開啟。