射電望遠(yuǎn)鏡FAST調(diào)研報(bào)告

1、500m口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST調(diào)研報(bào)告摘要 隨著射電天文學(xué)的發(fā)展, 高靈敏度的大口徑射電望遠(yuǎn)鏡成為射電觀測(cè)的重要設(shè)備. 我國正在建設(shè)中的500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)將成為世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。本文詳細(xì)介紹了FAST的情況，并對(duì)其可能的應(yīng)用方向做出了設(shè)想與展望。關(guān)鍵詞 射電天文；單口徑射電望遠(yuǎn)鏡；FAST1 FAST簡介1.1 FAST工程的提出1931年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的央斯基用天線陣接收到了來自銀河系中心的無線電波。隨后美國人格羅特雷伯在自家的后院建造了世界上第一架專門用于天文觀測(cè)的射電望遠(yuǎn)鏡，其本體為口徑9.5米的天線，依靠這架射電望遠(yuǎn)鏡，雷伯在1939年接收到了

2、來自銀河系中心的無線電波，并且根據(jù)觀測(cè)結(jié)果繪制了第一張射電天圖，射電天文學(xué)從此誕生。射電天文學(xué)的誕生, 為以光學(xué)為傳統(tǒng)的天文學(xué)翻開了新的一頁。在之后的70年中，射電望遠(yuǎn)鏡極大地推動(dòng)的天文學(xué)的發(fā)展。20世紀(jì)60年代天文學(xué)取得了四項(xiàng)非常重要的發(fā)現(xiàn)：脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子都與射電望遠(yuǎn)鏡有關(guān)。FAST的全稱為Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope，即500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。1993年國際無線電聯(lián)大會(huì)上, 包括中國在內(nèi)的10個(gè)國家的天文學(xué)家提出建造巨型望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃, 渴望在電波環(huán)境徹底毀壞前,回溯原初宇宙, 解答宇宙學(xué)提出

3、的眾多難題。在這一科學(xué)原動(dòng)力驅(qū)使下, 各國研究團(tuán)隊(duì)開始了新一代巨型射電望遠(yuǎn)鏡的工程概念研究, 籌建大口徑射電望遠(yuǎn)鏡以搶占制高點(diǎn)。自1994年起通過持續(xù)不斷地探索,中國天文學(xué)家提出在貴州喀斯特洼地中建造500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST的建議和工程方案,以期實(shí)現(xiàn)射電望遠(yuǎn)鏡在中國的跨越式發(fā)展1。1.2 FAST系統(tǒng)介紹 FAST 為一架口徑達(dá)500m的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其利用貴州已有的喀斯特洼坑為臺(tái)址，反射面能主動(dòng)變形為。與國際已有的巨型單口徑射電望遠(yuǎn)鏡相比，有3項(xiàng)主要特色(1)利用貴州天然的喀斯特洼坑作為望遠(yuǎn)鏡的臺(tái)址；(2)洼坑內(nèi)鋪設(shè)直徑為500m球冠狀主動(dòng)反射面, 觀測(cè)中通過主動(dòng)控制在觀測(cè)方向

4、形成300m 口徑瞬時(shí)拋物面,將電磁波匯聚在焦點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)了用傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的接收技術(shù)進(jìn)行寬頻帶觀測(cè)；(3)采用輕型索拖動(dòng)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人, 實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的高精度定位和跟蹤。FAST主要分為以下六個(gè)系統(tǒng)：(i)臺(tái)址勘查與開挖系統(tǒng)：對(duì)選定區(qū)域的地形、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)環(huán)境等進(jìn)行工程詳細(xì)勘查。雖然臺(tái)址洼地大窩凼的包絡(luò)形狀非常接近反射面球冠,但自然形成的洼地必須經(jīng)過修整，所需開挖的土石方量超過100萬立方米。洼地有良好的漏水性能，但為了確保當(dāng)遭遇50年一遇的暴雨時(shí)望遠(yuǎn)鏡底部機(jī)電設(shè)備沒有水浸之虞，仍需要疏通與建造垂直水平泄洪通道。(ii) 主動(dòng)反射面系統(tǒng)：AST主動(dòng)反射面的背架為鋼索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。約6670根鋼索編

5、制成4300個(gè)尺寸為11m左右的三角形索網(wǎng)構(gòu)形, 三角形頂點(diǎn)由節(jié)點(diǎn)連接，節(jié)點(diǎn)數(shù)量約2225個(gè)。索網(wǎng)之上鋪設(shè)約4300 塊邊長約11m的反射面單元面板。觀測(cè)時(shí)根據(jù)天文坐標(biāo)和實(shí)時(shí)反射面形狀測(cè)量，控制地面的卷索機(jī)構(gòu)，通過下拉索驅(qū)動(dòng)索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，使其位移以完成反射面的主動(dòng)變形2。(iii) 饋源支撐系統(tǒng)：在洼地周邊山峰建6個(gè)百余米高的支撐塔，安裝公里尺度的鋼索柔性支撐體系及其導(dǎo)索、卷索機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)饋源艙的一級(jí)空間位置調(diào)整。饋源艙尺度約15m，內(nèi)裝AB 軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人用于二級(jí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)饋源10mm空間定位精度3。建造地面至饋源艙之間的動(dòng)力和信號(hào)通道及健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括防雷、索應(yīng)力監(jiān)測(cè)、緊急狀

6、況預(yù)防和應(yīng)變?cè)O(shè)備。(iv) 測(cè)量與控制系統(tǒng)：FAST主要結(jié)構(gòu)在觀測(cè)時(shí)幾乎都在運(yùn)動(dòng)，主反射面和饋源之間無剛性連接，遠(yuǎn)距離、高采樣率、高精度的測(cè)量與控制是成功的關(guān)鍵。該系統(tǒng)涉及毫米級(jí)精度基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)，GPS和激光跟蹤儀對(duì)照明區(qū)內(nèi)1000個(gè)控制點(diǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量。需建設(shè)大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)總線，實(shí)現(xiàn)反射面的主動(dòng)變形控制；發(fā)展先進(jìn)的動(dòng)態(tài)解耦控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的空間定位。(v) 接收機(jī)與終端系統(tǒng)：FAST將通過國際合作研制多波段饋源和接收機(jī)，覆蓋70 MHz3 GHz的頻率范圍，并研制接收機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷系統(tǒng)。初步設(shè)計(jì)的接收機(jī)共9套，核心為L波段的19波束饋源接收機(jī)。首先饋源接收由主反射面匯聚的電磁波。隨后低噪音

7、前置放大器把信號(hào)放大到足夠水平，再由射頻放大器、混頻器和中頻濾波器對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理得到中頻信號(hào)，最后中頻信號(hào)經(jīng)光纖傳輸至地面觀測(cè)室內(nèi)的數(shù)據(jù)處理終端。(vi) 觀測(cè)基地建設(shè)系統(tǒng)：觀測(cè)基地主要用于支持望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)行、觀測(cè)和維護(hù)，并滿足FAST工作人員的工作與生活需要。根據(jù)需要，觀測(cè)基地包括綜合樓、維修廠房和分散在基地及反射面周圍的零星建筑。1.3 FAST技術(shù)指標(biāo)FAST總體技術(shù)指標(biāo)如圖1所示。圖12 FAST應(yīng)用展望FAST建成后將成為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，并且其將在接下來的至少20年內(nèi)保持世界領(lǐng)先地位，可以預(yù)見，F(xiàn)AST不僅將回答人類關(guān)于天文方面的諸多問題，而且對(duì)人與自然方面也將產(chǎn)生巨

8、大的作用?；贔AST的性能特點(diǎn)，本文給出了以下幾方面可能的應(yīng)用：2.1 中性氫觀測(cè)氫是宇宙間最簡單、最豐富的元素，它與大爆炸幾乎同齡?！坝钪娴陌倏迫珪怯梦⑷醯?1cm氫譜線寫成的，要閱讀它需要非常靈敏的望遠(yuǎn)鏡。”其觀測(cè)究將回答星系及星系團(tuán)演化與成因、暗物質(zhì)空間分布及宇宙低峰擾動(dòng)等天文學(xué)熱點(diǎn)問題4。星系的演化效應(yīng)只有在紅移0.3或更大時(shí)才開始變得明顯，大質(zhì)量星系可能在z 2 時(shí)才開始形成，目前發(fā)現(xiàn)的最年輕類星體在z = 67，將中性氫的觀測(cè)距離延伸至z = 0.3甚至更遠(yuǎn)的宇宙空間，才能真正構(gòu)造星系演化的圖像。FAST 1 h 的積分觀測(cè)可將宇宙探測(cè)距離延伸到紅移0.7；對(duì)那些處于活動(dòng)星系周

9、圍殼層中的高密度暖氫云，F(xiàn)AST可回溯至紅移3的宇宙距離。我們觀測(cè)到的最遙遠(yuǎn)宇宙，即宇宙微波背景輻射是z 1100 的背景光子最后散射面，在z = 67 觀測(cè)到最早期發(fā)光的天體，而對(duì)這期間漫長暗紀(jì)的宇宙演化一無所知。FAST有獨(dú)一無二的安靜電波環(huán)境、高品質(zhì)的接收機(jī)、幾乎不受衍射限制的巨大口徑以及振子天線的低旁瓣水平。根據(jù)理論分析和仿真對(duì) EoR 源給出了一些空間性質(zhì)預(yù)測(cè)，我們指望FAST 有探測(cè)到第一代天體的幸運(yùn)。2.2 成為VLBI 網(wǎng)主受口徑衍射限制的天文望遠(yuǎn)鏡分辨率 /D。對(duì)射電天文望遠(yuǎn)鏡，其工作波長為光學(xué)的幾百萬倍，若想獲得與光學(xué)相當(dāng)?shù)姆直媛?，就得把這口大鍋?zhàn)龀蓭装俟锷踔恋厍蚰敲创螅?/p>

10、這是難以想象。射電天文學(xué)對(duì)望遠(yuǎn)鏡分辨率的追求，最終發(fā)展成今天的甚長基線干涉測(cè)量VLBI。加入VLBI的兩面天線可以隔洲跨洋，其角分辨率 = /B, 基線B可以有地球直徑那么長，如果將天線送至太空將更長，現(xiàn)代全球VLBI網(wǎng)的分辨率已突破毫角秒，比其他所有的天文波段的分辨率至少高3個(gè)數(shù)量級(jí)。國際VLBI網(wǎng)有歐洲網(wǎng)EVN、美國網(wǎng)VLBA和亞太網(wǎng)APT等.。主要單元天線口徑在2040m,最大的單元100m。如果500m 口徑的FAST加入，由于它巨大的接收面積和地處所有聯(lián)測(cè)網(wǎng)邊緣的地域優(yōu)勢(shì)，可將基線檢測(cè)靈敏度提高10 倍，可成圖的目標(biāo)數(shù)增加1000倍，成為國際VLBI 網(wǎng)俱樂部的網(wǎng)主。由FAST、地面

11、100m天線和空間10m左右天線構(gòu)成的VLBI系統(tǒng)，其靈敏度也將比現(xiàn)有的設(shè)備提高0.51個(gè)數(shù)量級(jí)。有可能以優(yōu)于0.1個(gè)日地距離分辨本領(lǐng)，獲得少數(shù)熱譜源精細(xì)圖像，研究恒星類天體的形成與演化。甚至直接為近鄰雙星系統(tǒng)和太陽系外行星成像。2.3 脈沖星觀測(cè)脈沖星是極端物理?xiàng)l件下的實(shí)驗(yàn)室，是“星際介質(zhì)的探針”。理論估計(jì)銀河系中應(yīng)有脈沖星6萬顆，已發(fā)現(xiàn)的大約為3%，脈沖星的深度巡視會(huì)提供眾多的發(fā)現(xiàn)機(jī)遇。最初發(fā)現(xiàn)的100顆全部是正常脈沖星，且全部是單星。當(dāng)發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)目增至500顆時(shí)，脈沖星的研究產(chǎn)生了一個(gè)飛躍，發(fā)現(xiàn)了毫秒級(jí)脈沖星、雙子星系統(tǒng)、中子星和白矮星系統(tǒng)、中子星和大質(zhì)量伴星系統(tǒng)、脈沖星中的行星系統(tǒng)、

12、X 射線 射線脈沖星等多類新品種。而當(dāng)高靈敏度的多波束巡天使脈沖星的數(shù)目增至1700時(shí)，更新的發(fā)現(xiàn)隨之而來【5】。目前新品種的脈沖星的數(shù)目還不多，而且它們往往是在現(xiàn)有設(shè)備的探測(cè)極限附近發(fā)現(xiàn)的。FAST具有高的靈敏度和大的天區(qū)覆蓋，有利于發(fā)現(xiàn)更多暗弱脈沖星、毫秒脈沖星、脈沖雙星、雙脈沖星系統(tǒng)、脈沖星行星系統(tǒng)、河外強(qiáng)脈沖星、非球狀星團(tuán)毫秒脈沖星等罕見品種。FAST 使用多波束饋源、1h積分時(shí)間，將能用一年巡視時(shí)間發(fā)現(xiàn)7000多顆新的脈沖星。如果幸運(yùn)，F(xiàn)AST也許會(huì)觀測(cè)到目前尚未發(fā)現(xiàn)而可能存在的新品種，如奇異星和黑洞雙星等。FAST的非積分高靈敏度(raw sensitivity)特別適用于脈沖星偏

13、振、單個(gè)脈沖等的研究，對(duì)星際介質(zhì)做更精確的探測(cè)，揭示脈沖星輻射的成因。2.4 分子譜線觀測(cè)FAST工作帶寬內(nèi)包含羥基(OH)、甲醇(CH3OH)和甲醛(HCHO)等17種分子譜線。利用其高靈敏度，可對(duì)超強(qiáng)紅外星系、高紅移星系、活動(dòng)星系和類星體進(jìn)行OH，HCHO，CH3OH分子超脈澤的廣泛搜尋。 FAST的性能將可以觀測(cè)到更多OH超脈澤源，進(jìn)一步研究超脈澤和星系類型的關(guān)系、超脈澤與核活動(dòng)的關(guān)系、超脈澤和星系核相對(duì)論性外流的關(guān)系。NGC4258星系核心超脈澤觀測(cè)結(jié)果被譽(yù)稱為黑洞探測(cè)的第一門球，大的OH超脈澤樣品，有可能獲得更多黑洞存在的證據(jù)。Parkes 64m 望遠(yuǎn)鏡在紅移為0.129處探測(cè)到了

14、最亮的OH超脈澤，如果使用FAST，它可在z 1處被探測(cè)到，這使OH超脈澤的宇宙學(xué)研究成為可能。 前OH超脈澤的光度函數(shù)測(cè)定得不準(zhǔn)確，不了解它們的物理機(jī)制。多波束模式下，F(xiàn)AST做OH超脈澤的巡天工作，增進(jìn)我們對(duì)其光度函數(shù)的理解，我們提供有關(guān)它們起源的必要信息CH3OH脈澤是河內(nèi)最亮的射電點(diǎn)源，出鄰近OH脈澤近一個(gè)數(shù)量級(jí)，的研究正成為示蹤恒星及行星形成和研究吸積盤的重要工具，國際尋找河外CH3OH 超脈澤的努力至今未見結(jié)果。2.5 高分辨率微波巡視HRMS和尋找地外文明SETI與地外文明通訊的惟一可行的方法是尋找來自地外的“人工”信號(hào)。主流SETI科學(xué)家認(rèn)為人類應(yīng)該將搜索集中在13 GHz的無

15、線電頻率范圍內(nèi)，尤其是在21cm的中性氫線(HI)與18cm羥基線(OH)之間，H與OH結(jié)合成水(H2O)，因而這一狹窄頻帶又稱為“水洞”。水對(duì)地球生命是最基本的，地外的“水族”可能也會(huì)自然地通過水洞尋找同類。在諸多觀測(cè)課題中，鳳凰計(jì)劃是最著名SETI巡視，它始于1994年，正使用世界上最大的天線對(duì)來自鄰近的大約1000顆類太陽星周圍的無線電信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的搜索和證認(rèn)。使用雷達(dá)方程進(jìn)行計(jì)算，一個(gè)典型電視臺(tái)的全向等效輻射功率EIRP大致為 1MW的量級(jí)，地球上最強(qiáng)雷達(dá)的脈沖功率約108 MW。粗略估算，如果地外文明的天線是無方向性的，假設(shè)其發(fā)射機(jī)功率為1000MW，Arecibo搜索距離為18ly, 可探測(cè)12顆恒星，F(xiàn)AST的搜索距離達(dá)27ly，可觀測(cè)的恒星達(dá)40顆，巨大的FAST 也許會(huì)給我們巨大的機(jī)遇。即使我們沒有那份運(yùn)氣，也可以像美國宇航局微波巡視計(jì)劃HRMS那樣，同時(shí)掃描上億個(gè)頻率，診斷微弱的空間窄帶訊號(hào)，其國家安全方面的價(jià)值不言自明。參考文獻(xiàn)1Nan R D.Five hundred meter aperture spherical radio telescope (FAST).Sci China Ser G-Phys Mech Astron,2006,49(2):1291482嚴(yán)