“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）

“中国天眼”FAST

2020年1月12日一座500米口径球面射电望远镜于贵州省平塘县大窝凼（dang）喀斯特洼地通过国家验收并正式开放运行，之前已试运行并正常观测了4年，截至2020年3月23日FAST已为中国发现了114颗新脉冲星。

这个“中国天眼”有多牛？

“中国天眼”射电望远镜FAST

1，FAST是世界上最大，最灵敏的单口径射电望远镜，比德国波恩100米射电望远镜灵敏度提高10倍。比号称人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米射电望远镜综合性能提高10倍，预计在未来20~30年“中国天眼”将保持世界领先。

2，它是中国具有自主知识产权的“大国重器”，基于三项全部中国知识产权的自主创新——选址方法、索网主动反射面、柔性索结合并联机器人的馈源支撑，FAST突破了射电望远镜工程极限，成为世界最大的单口径射电望远镜，其口径有500米，接收面积达25万平方米相当于30个足球场大小。

3，数千块单元组成的球面主动反射面技术是FAST最大的创新，FAST的反射面要进行大范围运动，每一个单元反射面的作用是要将球面改成抛物面，通过主动的变形实现对天体跟踪式观测。

4，银河系约有6万颗可观测脉冲星，目前只探测到约4.5%，在具有极高灵敏度的“中国天眼”面前，很多暗弱的脉冲星均在其视野中，预计FAST可观测到4000颗以上的脉冲星（包括银河系以外的脉冲星）。

什么是脉冲星？

脉冲星

恒星演化的终点是在无法继续进行热核反应之后，失去热辐射压力支撑，周围物质受重力的牵引会急速向中心坠落。

这时有一种可能导致压向外壳的动能转化为热能而发生爆炸，按现代物理理论大爆炸后将会出现黑洞，这种情况称为超新星爆炸。

第二种可能是根据恒星质量不同，整个恒星被压缩成白矮星，中子星（脉冲星），夸克星，在白矮星被压缩成中子星的过程中，剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化为中子，这时星体将以急速旋转的形态向四面八方发射射电电波，电波以一明一灭的方式传播，犹如人眨眼一样，所以也称之“波霎（sha）”。这类宇宙天体的奇异现象就是脉冲星诞生的全过程。

因此脉冲星也被称为变星或中子星。

脉冲星如何被发现？

在20世纪之前科学家们认为恒星是永远不变的。

1960年时天文学家在茫茫星海中发现一种类似恒星的天体能发出比星系明亮千倍的射电电波（主要是无线电波）辐射，而且辐射频率闪烁不定。

脉冲星之母-乔瑟琳·贝尔

1965年，英国女天文学家乔瑟琳-贝尔来到剑桥大学攻读博士学位，两年之后乔瑟琳-贝尔通过射电望远镜发现一种神秘的脉冲信号正有规律地每隔1.33秒重复地出现，而且信号呈现一闪一闪的脉冲形式，在排除了不可能是由“小绿人”外星人发出的智慧信号后，乔瑟琳-贝尔认为自己发现了一种全新的星体。

1968年，美国天文学家托马斯·戈尔德的中子星理论最终得到了共识，即乔瑟琳和导师休伊什发现的信号来自中子星（脉冲星），其闪烁不定的脉冲形式，是由于中子星高速自转而引起的。

6年后，英国科学家马丁·赖尔和休伊什共同获得诺贝尔物理学奖，前者由于改进了射电望远镜获奖，休伊什因为发现脉冲星获奖，而事实上最先发现脉冲星的乔瑟琳，则被排除在获奖名单之外。由于乔瑟琳的落选，那一届诺贝尔奖引起了国际天文学界巨大的争议，被称为“没有贝尔的诺贝尔奖”。

尽管乔瑟琳被诺贝尔奖忽视，天文学界仍然将她誉为“脉冲星之母”。2018年9月6日，乔瑟琳获得了科学界奖金最丰厚的奖项——“基础物理学特别突破奖”，奖金300万美元。这或许算是对乔瑟琳的一种补偿吧。

脉冲星被确认为中子星，这被认为是20世纪射电天文学四大发现之一，其他三个重大发现是类星体、微波背景辐射和星际分子。

“中国天眼”怎么找到遥远的脉冲星？

“中国天眼”发现脉冲星

形象地来说，如果“中国天眼”是一位帅哥，那么脉冲星就是来自宇宙中无数的美女，帅哥并不是只盯着一位美女看，它的策略是选定一个大方向，对各种走来走去的美女进行连续“拍照”，然后再从这些“照片”中寻找一位最完美的意中人。

FAST发现脉冲星

在“中国天眼”建成之前，地球上所有的射电望远镜都只能看见银河系内的脉冲星，“中国天眼”加入之后将可以发现银河系之外的脉冲星，并有望将脉冲星家族扩员一倍，甚至是围绕着黑洞的脉冲星。

探索脉冲星的意义？

1，在很早以前，物理学家就陷入了“实验物理远远落后于理论物理”的漩涡中，也就是说，在理论上已提出了一大堆假说，但是实验却难以验证，这一点在天体物理学方面尤为明显。而脉冲星是一种理想的天体物理实验室，它们具有超强的引力场、电磁场和核密度，还有许多未知的极端物理特性。如果没有发现脉冲星，那么很多天体物理方面的假说都将无法被证明。

脉冲星

2，未来，FAST将有望发现更多守时精准脉冲星，并利用脉冲星自转周期稳定性和准确的时钟信号为航天器导航等重大科学及技术应用提供理想工具。

脉冲星

3，每颗脉冲星都有与众不同之处。有些亮度极高；有些会发生星震，顷刻间使转速陡增；有些在双星轨道上有伴星；还有数十颗脉冲星转速奇快(高达每秒钟一千次)。每次新发现都会带来一些新的、珍奇的资料，科学家可以利用这些资料帮助我们了解宇宙。

宇宙中的脉冲星

4，观测脉冲星还可以用来探测引力波，引力波是宇宙中最难以捉摸的涟漪，理论是其产生于大尺度宇宙事件，例如在宇宙早期，两个星系相撞后，在中心产生大质量双黑洞，以及大爆炸早期瞬间产生的宇宙膨胀痕迹等。

我们的肉眼所能看到的璀璨星空只是宇宙的极小一部分，在宇宙无尽黑暗之中还有无处不在的暗物质以及无数的不可见黑洞，有了引力波探测，我们将有望破解宇宙黑暗空间的秘密，虽然暗物质无形无色，但是它有着巨大的总质量，利用引力波探测我们终能捕捉到暗物质存在的蛛丝马迹。

如何探测引力波？

引力波

引力波就像宇宙初生时发出的“啼哭”之声，在宇宙中不停的四处传播，现在可探测到的引力波能量极小，如同比一个原子核还小的扰动，非常容易被人造电磁干扰淹没。

观测引力波

当引力波传来时，它会使“时空”发生微小扰动，这时利用大型射电望远镜观测多颗不同方向的脉冲星，将会发现有的脉冲信号到达时间提前，有的脉冲信号达到时间滞后，从中提出干扰影响数据，届时将会探测到引力波的存在。

“中国天眼”FAST的科学目标和应用价值

FAST射电望远镜

1、FAST有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘，重现宇宙早期图像。

2、能用一年时间发现数千颗脉冲星，建立脉冲星计时阵，参与未来脉冲星自主导航和引力波探测。

3、主导国际甚长基线干涉测量网，获得天体超精细结构。

4、进行高分辨率微波巡视，检测微弱空间信号。

5、参与地外文明搜寻。

6、参与子午链工程，提高非相干散射雷达双机系统性能。

7、将深空通讯能力延伸至太阳系外缘行星，将卫星数据接收能力提高100倍。

FAST射电望远镜

FAST能把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高100倍。

脉冲星到达时间测量精度由120纳秒提高至30纳秒，成为国际上最精确的脉冲星计时阵，为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。

进行高分辨率微波巡视，以1HZ的分辨率诊断识别微弱的空间讯号，作为被动战略雷达为国家安全服务。

基于FAST的强大功能，如果银河系(直径约为15万光年)内存在外星人，他们的信息就很可能被发现。国际科研项目“搜寻外星人计划”(SETI)的首席科学家丹·沃西默最近向中方提出，希望在FAST加装设备，可合作搜索外星人信号。

这里要深切缅怀未曾亲眼看到FAST正式运行的首席科学家南仁东。

FAST首席科学家南仁东

南仁东作为FAST工程首席科学家兼总工程师，于2017因病逝世，在他有生之年没能亲眼看到自己的“孩子”长大成人。

南仁东1963年就读于清华大学，于中国科学院研究生院获硕士、博士学位。后在日本国立天文台任客座教授，1982年，他进入中国科学院北京天文台工作。1994年起，一直负责FAST的选址、预研究、立项、可行性研究及初步设计。

2016年9月，"中国天眼"落成启用前，南仁东已罹患肺癌，并在手术中伤及声带。患病后南仁东依然带病坚持工作，为中国天文事业呕心沥血。

南仁东从FAST项目开始到2017年，一直任首席科学家，他主持编写了FAST立项建议书，确定了中性氢、脉冲星、分子谱线、VLBI和地外智慧文明搜寻等5大科学内容。2017年5月，获得全国创新争先奖; 2017年7月，入选为2017年中国科学院院士增选初步候选人。

2017年9月15日晚，南仁东因病逝世，享年72岁。 2018年12月18日，党中央、国务院授予南仁东同志改革先锋称号，颁授改革先锋奖章，并获评"中国天眼"的主要发起者和奠基人。

新华社《"中国天眼"之父南仁东病逝》里写道：23年时间里，他(南仁东)从壮年走到暮年，把一个朴素的想法变成了国之重器，成就了中国在世界上独一无二的项目。缅怀南老，致敬科学精神!

结语

具有中国独立自主知识产权的FAST，是世界上已经建造完成的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜，其设计综合体现了我国高技术创新能力。它将在宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等方向提供发现和突破的机遇，在日地环境研究、国防建设和国家安全等方面将发挥不可替代的作用。

FAST射电望远镜将会发现很多我们以前不知道的信息，但FAST最终会有什么样的惊人发现，现在无人可知，因为在天文学研究中最有趣的发现都是意外的。