FAST望遠(yuǎn)鏡： 把中國目光投向最深的宇宙

盡管遠(yuǎn)在貴州省黔南州平塘縣的深山里，但有“中國天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）一直以來都備受矚目。

“最近我們和天馬望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)合作，首次成功實(shí)現(xiàn)聯(lián)合觀測，這標(biāo)志著FAST具備了聯(lián)合組網(wǎng)觀測的能力。” 中國科學(xué)院國家天文臺FAST總工程師、研究員姜鵬日前在接受科技日報(bào)記者專訪時(shí)說道。

天馬望遠(yuǎn)鏡是國內(nèi)最大的全可動射電望遠(yuǎn)鏡。在姜鵬看來，兩臺望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測成功意義重大，有望進(jìn)一步提升我國VLBI（甚長基線干涉測量）網(wǎng)的靈敏度水平，有助于科學(xué)家們開展高靈敏度、高分辨率的射電天文觀測。

目前，F(xiàn)AST工程團(tuán)隊(duì)還在緊鑼密鼓地開展相關(guān)調(diào)試工作，為即將到來的國家驗(yàn)收做準(zhǔn)備。建成以來，F(xiàn)AST取得了哪些進(jìn)展？未來有望在哪些領(lǐng)域幫助科學(xué)家取得突破？記者就此采訪了相關(guān)專家。

實(shí)現(xiàn)“零的突破” 找到55顆新脈沖星

2016年9月，F(xiàn)AST在貴州竣工。從一個(gè)想法，到最終落成，F(xiàn)AST身上凝聚了幾代天文人的心血與夢想。它的到來，使得中國望遠(yuǎn)鏡在尋找新脈沖星的征途上實(shí)現(xiàn)了“零的突破”。

竣工后的FAST進(jìn)入試運(yùn)行、試調(diào)試階段。處于調(diào)試階段的FAST不負(fù)眾望，在一年左右的時(shí)間里有了新的發(fā)現(xiàn)。2017年10月，中國科學(xué)院國家天文臺在北京召開新聞發(fā)布會，曬出了FAST的首張成績單。

中國科學(xué)院國家天文臺研究員李菂在這次發(fā)布會上介紹，F(xiàn)AST調(diào)試進(jìn)展超過預(yù)期，探測到數(shù)十顆優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，有兩顆通過國際認(rèn)證。其中首顆被認(rèn)證的新脈沖星，是中國望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第一顆新脈沖星。

觀測對于開展天文學(xué)研究的重要性不言而喻。北京師范大學(xué)天文系教授何香濤曾撰文指出：“一批年輕的中國人，包括我自己，走出國門，才知道了什么是近代天文學(xué)。尤其明白了，天文學(xué)的真諦在于觀測。”

“沒有一流的觀測設(shè)備，拿不到一手的觀測數(shù)據(jù)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究就很難產(chǎn)生大的影響。”長期從事脈沖星相關(guān)研究的北京大學(xué)物理學(xué)院天文學(xué)系教授徐仁新說道。

而現(xiàn)在，觀測數(shù)據(jù)不再是愁人的問題。自找到第一顆新脈沖星以來，F(xiàn)AST在脈沖星發(fā)現(xiàn)上逐漸有了更多的斬獲。中國科學(xué)院國家天文臺官方資料顯示，截至目前，F(xiàn)AST已經(jīng)探測到80顆優(yōu)質(zhì)的脈沖星候選體，其中55顆被證實(shí)為新發(fā)現(xiàn)的脈沖星。

數(shù)項(xiàng)指標(biāo)超預(yù)期 打造最靈敏的“眼睛”

按計(jì)劃， FAST工程要在今年3月接受國家驗(yàn)收，涉及工藝、設(shè)備、檔案等五大項(xiàng)目。通過驗(yàn)收后，F(xiàn)AST將正式對外開放，為有需求的科學(xué)家提供服務(wù)。

國際上知名的大型射電望遠(yuǎn)鏡建成后，往往都要經(jīng)過數(shù)年，甚至更長時(shí)間的調(diào)試磨合，才能以最佳狀態(tài)進(jìn)入應(yīng)用階段。

“就好比一臺剛研制出來的家電，研發(fā)人員還要對它做各項(xiàng)性能指標(biāo)測試，根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，確保它符合設(shè)計(jì)時(shí)提出的各項(xiàng)要求，能夠?yàn)橛脩籼峁└哔|(zhì)量的服務(wù)。”徐仁新舉例道。

作為世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，在沒有先例可循的情況下，F(xiàn)AST的調(diào)試工作無疑是極具挑戰(zhàn)的。全新的工作模式使得FAST具有超大的接收面積，也讓它具有其它望遠(yuǎn)鏡所無法比擬的靈敏度優(yōu)勢。

姜鵬介紹，F(xiàn)AST僅反射面就需要2000余臺促動器協(xié)同控制，而且索網(wǎng)把所有促動器都連成了一個(gè)整體，可以說是“牽一發(fā)動全身”。

重達(dá)30噸的饋源艙高懸在空中，如何確保整個(gè)系統(tǒng)的安全性是姜鵬要考慮的頭等大事。此外，對FAST所有子系統(tǒng)的功能性整合也是項(xiàng)系統(tǒng)工程。FAST由幾十家單位聯(lián)合研制，每家單位主要負(fù)責(zé)完成本地系統(tǒng)的調(diào)試工作，最后由FAST團(tuán)隊(duì)完成整合。

姜鵬介紹，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)足足花了半年的時(shí)間，仔細(xì)核對控制系統(tǒng)的代碼，進(jìn)行必要的修改和完善，梳理不同數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)接口，最終提前完成了望遠(yuǎn)鏡的功能性調(diào)試任務(wù)。

令姜鵬感到欣慰的是，經(jīng)過兩年多的緊張調(diào)試，F(xiàn)AST的數(shù)項(xiàng)性能指標(biāo)超過預(yù)期，在靈敏度、系統(tǒng)噪音、指向精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上，已經(jīng)達(dá)到了國家驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。“可以說，調(diào)試后的FAST是當(dāng)之無愧的世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，可以幫助人類了解更遙遠(yuǎn)、更早期的宇宙”。

即將正式開放 有望描繪早期宇宙圖景

伴隨著FAST正式開放日期的臨近，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)正在向包括徐仁新在內(nèi)的科學(xué)家征集應(yīng)用需求。大家都在期待，F(xiàn)AST能帶來更多突破性的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。

搜尋和監(jiān)測射電脈沖星是FAST的核心科學(xué)目標(biāo)。銀河系中有大量脈沖星，但由于其信號暗弱，易被人造電磁信號干擾淹沒，目前只觀測到它們中的一小部分。具有極高靈敏度的FAST望遠(yuǎn)鏡是發(fā)現(xiàn)脈沖星的理想設(shè)備。

由恒星演化和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的脈沖星，因發(fā)射周期性脈沖信號而得名。脈沖星的本質(zhì)是中子星，具有在地面實(shí)驗(yàn)室無法實(shí)現(xiàn)的極端物理性質(zhì)，是理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室。

研究脈沖星，有望得到許多重大物理學(xué)問題的答案。徐仁新舉例道，可以加深我們對于自然界當(dāng)中引力、強(qiáng)力等基本相互作用的理解，并且脈沖星也是探測宇宙極低頻引力波的工具。

同樣是脈沖星，也有“好壞”之分。徐仁新解釋道，所謂“好”的脈沖星，指的是計(jì)時(shí)精準(zhǔn)的毫秒脈沖星。想要通過脈沖星計(jì)時(shí)陣來探測引力波，就需要找到計(jì)時(shí)精度極高的毫秒脈沖星，這也正是FAST重點(diǎn)搜尋的對象。

此外，科學(xué)家還期待通過強(qiáng)大的FAST觀測到一些難得一見的脈沖星“珍品”，比如雙星系統(tǒng)里的脈沖星。對單個(gè)脈沖星而言，測定其質(zhì)量很困難，但在雙星系統(tǒng)里，就能利用軌道等信息測定其質(zhì)量。

“目前觀測發(fā)現(xiàn)脈沖星的最大質(zhì)量約為2倍太陽質(zhì)量，足以排除不少脈沖星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型。但如果我們能通過FAST找到更大質(zhì)量的脈沖星，無疑會是顛覆性的發(fā)現(xiàn)，將修正脈沖星結(jié)構(gòu)模型并深化人們對于極致密物質(zhì)狀態(tài)的理解。” 徐仁新展望道。

不只是尋找脈沖星，F(xiàn)AST還將探尋早期宇宙的蛛絲馬跡——中性氫云團(tuán)的輻射。徐仁新介紹，中性氫云團(tuán)是宇宙中未被引力塌縮成恒星的氫原子氣體，通過觀測中性氫輻射，能獲知星系之間互動的細(xì)節(jié)，還可能發(fā)現(xiàn)早期宇宙中剛剛形成的氫原子的分布狀態(tài)，幫助科學(xué)家更精確地描繪出早期宇宙的圖景。