快看点丨中国天眼：探索宇宙的奥秘

2023-03-24 11:20:49 来源：科普中国

中国天眼（FAST）是目前世界上最大的射电天文望远镜。作为国家重大科技基础设施，是观天巨目、国之重器，实现了我国在前沿科学领域的一项重大原创突破。中国天眼已在多个研究方向产出科学成果，深化着人类对宇宙的认知。自2016年9月落成并启用以来，科学家通过中国天眼发现的脉冲星已经超过660颗，这个数量是同一时期、国际上所有射电望远镜发现脉冲星总数的5倍以上。年观测时长超5300小时，中国天眼——这一全球最大、最灵敏的射电望远镜帮助科学家在天文学领域取得了一系列研究成果，拓展了人类观察宇宙的视野，成为中国科技自立自强的代表性工程。

(资料图片)

| 中国天眼

500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST），位于中国贵州省黔南布依族苗族自治州境内，是国家“十一五”重大科技基础设施建设项目。中国天眼是建立在一张世界上跨度最大、精确度最高且结构和工作方式都非常特殊的蜘蛛网上，这张借助50根钢柱、670条钢索和2225根下拉索，上面覆盖了4450面反射镜的大型蜘蛛网会因牵引器施加于自身的拉力而变形，倘若配合顶部的接收机共同活动，中国天眼就能有效观测太空中不同区域中的电磁波信号，这也就是中国天眼的观测敏感度和数据接收能力比其他国家的同类产品更为强大的原因。

| 中国天眼的科技创新

1、创建了超大型射电望远镜的新系统，即主动反射面、馈源支撑等系统，实现了500米的口径反射面主动变位和馈源舱高精度定位，是射电望远镜建造技术的重大突破。

2、提出了适应山区复杂地形的圈梁支承形式，发明了索网形态分析的目标位形初应变补偿法，研究了主动变位的索网疲劳性能，实现了大尺度、超高精度及主动变位等创新性结构设计。

3、研制了500兆帕超高应力幅及毫米级精度的结构钢索，发明了多种大跨度、高精度施工法，突破了现场极其苛刻的复杂场地限制，实现了建设完成跨度极大、精度极高的望远镜主体结构。

4、发明了大尺度、高精度、高动态测量控制与安全评估技术，实现了提供反射面高精度位置信息和全天候、高精度、大尺度高采样率的馈源支撑动态测量。

5、在管理创新方面，采用了全过程工程咨询模式，开创了“十字形”交叉管理系统和“五维一体”的项目管理方式，实现了节能、绿色、环保等管理体系的有机融合，开启了大科学工程建设管理的新模式。

| 中国天眼的突出贡献

中国天眼自建成后，在快速射电暴起源与物理机制、中性氢宇宙研究、脉冲星搜寻与物理研究、脉冲星测时与低频引力波探测等方向持续产出成果。近期宇宙中最大原子气体结构的新发现，就是由中国科学家通过中国天眼观测到的，相关成果已在学术期刊《自然》上发表。中国天眼能够探测到远离星系中心的极其稀薄的弥散原子气体所发出的暗弱辐射，这为研究宇宙中天体的起源打开了一个崭新的窗口。

观测宇宙中的气体是天体物理领域一个非常重要的研究课题，而宇宙中所有天体的起源都离不开原子气体。据介绍，星系的主要演化过程就是不断从宇宙空间吸收原子气体，然后将其转化为恒星的过程。

这项发现对研究星系及其气体在宇宙中的演化提出了挑战。现有理论很难解释为什么在如此漫长的时间里，这些稀薄的原子气体仍没有被宇宙空间中的紫外背景辐射电离。这项观测成果预示着，宇宙中可能存在大尺度的低密度原子气体结构。

| 尖端领域的中国力量

在中国天眼产生的诸多科学成果中，快速射电暴是最新也是最热的领域之一。在广袤的宇宙中，经常出现短暂而猛烈的无线电波爆发，持续时间通常仅有几毫秒，却能够释放出相当于地球上几百亿年发电量的巨大能量。2007年，天文学家首次发现了这样的毫秒电波——快速射电暴。迄今为止，天文学家已经观测到了几百例快速射电暴，并通过周边环境的复杂程度推测其所处的演化阶段。

目前，科学家对快速射电暴的物理起源、周围环境、中心机制等尚不明晰，也缺乏对其核心区物理参数的直接观测资料。日前，中国科学家利用中国天眼对一例位于银河系外的快速射电暴开展了深度观测，首次探测到距离快速射电暴中心仅1个天文单位（即太阳到地球的距离）的周边环境的磁场变化。此项研究中，研究团队对位于银河系外的快速射电暴FRB20201124A进行了长期监测，在54天共计82小时时间内，观测到了1863个爆发脉冲信号，基于这一迄今为止最大的快速射电暴偏振观测样本取得了若干重要发现。团队正在进一步研究，期待找到决定快速射电暴核心物理过程和能源机制的直接观测证据，早日揭示这一神秘宇宙现象的物理起源。

| 应用价值

1、带动自主产业

500米口径球面射电望远镜的建设涉及了众多高科技领域，如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理、超宽带信息传输、大量数据存储与处理等。FAST关键技术成果可应用于诸多相关领域，如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。500米口径球面射电望远镜的建设经验将对中国制造技术向信息化、极限化和绿色化的方向发展产生影响。

2、为国家安全做贡献

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几十倍，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1赫兹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。可作为“子午工程”的非相干散射雷达接收系统，提供高分辨率和观测效率；跟踪探测日冕物质抛射事件，服务于太空天气预报。

3、探索宇宙

中国天眼作为一个多学科基础研究平台，有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘，观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体。能研究极端状态下的物质结构与物理规律；有希望发现奇异星和夸克星物质；发现中子星——黑洞双星，无需依赖模型精确测定黑洞质量；通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波；用于搜寻识别可能的星际通讯信号，寻找地外文明等等。

（图片来源于网络）作者 | 顾俊哲计算机科学与技术硕士，毕业后从事网络信息收集与整理工作，关注大众科普知识，探索前沿科技。

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