射电望远镜FAST调研报告

500m口径射电望远镜FAST调研报告摘要随着射电天文学的发展,高灵敏度的大口径射电望远镜成为射电观测的重要设备.我国正在建设中的500m口径球面射电望远镜(FAST)将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜。本文详细介绍了FAST的情况，并对其可能的应用方向做出了设想与展望。关键词射电天文；单口径射电望远镜；FAST1FAST简介1.1FAST工程的提出1931年，美国贝尔实验室的央斯基用天线阵接收到了来自银河系中心的无线电波。随后美国人格罗特·雷伯在自家的后院建造了世界上第一架专门用于天文观测的射电望远镜，其本体为口径9.5米的天线，依靠这架射电望远镜，雷伯在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波，并且根据观测结果绘制了第一张射电天图，射电天文学从此诞生。射电天文学的诞生,为以光学为传统的天文学翻开了新的一页。在之后的70年中，射电望远镜极大地推动的天文学的发展。20世纪60年代天文学取得了四项非常重要的发现：脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子都与射电望远镜有关。FAST的全称为Five-hundred-meterApertureSphericalTelescope，即500m口径球面射电望远镜。1993年国际无线电联大会上,包括中国在内的10个国家的天文学家提出建造巨型望远镜计划,渴望在电波环境彻底毁坏前,回溯原初宇宙,解答宇宙学提出的众多难题。在这一科学原动力驱使下,各国研究团队开始了新一代巨型射电望远镜的工程概念研究,筹建大口径射电望远镜以抢占制高点。自1994年起通过持续不断地探索,中国天文学家提出在贵州喀斯特洼地中建造500m口径球面射电望远镜FAST的建议和工程方案,以期实现射电望远镜在中国的跨越式发展[1]。1.2FAST系统介绍FAST为一架口径达500m的单口径射电望远镜，其利用贵州已有的喀斯特洼坑为台址，反射面能主动变形为。与国际已有的巨型单口径射电望远镜相比，有3项主要特色(1)利用贵州天然的喀斯特洼坑作为望远镜的台址；(2)洼坑内铺设直径为500m球冠状主动反射面,观测中通过主动控制在观测方向形成300m口径瞬时抛物面,将电磁波汇聚在焦点上，实现了用传统望远镜的接收技术进行宽频带观测；(3)采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现接收机的高精度定位和跟踪。FAST主要分为以下六个系统：(i)台址勘查与开挖系统：对选定区域的地形、工程地质和水文地质环境等进行工程详细勘查。虽然台址洼地大窝凼的包络形状非常接近反射面球冠,但自然形成的洼地必须经过修整，所需开挖的土石方量超过100万立方米。洼地有良好的漏水性能，但为了确保当遭遇50年一遇的暴雨时望远镜底部机电设备没有水浸之虞，仍需要疏通与建造垂直水平泄洪通道。(ii)主动反射面系统：AST主动反射面的背架为钢索网结构。约6670根钢索编制成4300个尺寸为11m左右的三角形索网构形,三角形顶点由节点连接，节点数量约2225个。索网之上铺设约4300块边长约11m的反射面单元面板。观测时根据天文坐标和实时反射面形状测量，控制地面的卷索机构，通过下拉索驱动索网节点，使其位移以完成反射面的主动变形[2]。(iii)馈源支撑系统：在洼地周边山峰建6个百余米高的支撑塔，安装公里尺度的钢索柔性支撑体系及其导索、卷索机构，以实现馈源舱的一级空间位置调整。馈源舱尺度约15m，内装AB轴转向机构和并联机器人用于二级调整，实现馈源10mm空间定位精度[3]。建造地面至馈源舱之间的动力和信号通道及健康监测系统。该系统还包括防雷、索应力监测、紧急状况预防和应变设备。(iv)测量与控制系统：FAST主要结构在观测时几乎都在运动，主反射面和馈源之间无刚性连接，远距离、高采样率、高精度的测量与控制是成功的关键。该系统涉及毫米级精度基准网建设，GPS和激光跟踪仪对照明区内1000个控制点实时测量。需建设大规模现场总线，实现反射面的主动变形控制；发展先进的动态解耦控制技术，实现接收机的空间定位。(v)接收机与终端系统：FAST将通过国际合作研制多波段馈源和接收机，覆盖70MHz—3GHz的频率范围，并研制接收机工作状态监视和故障诊断系统。初步设计的接收机共9套，核心为L波段的19波束馈源接收机。首先馈源接收由主反射面汇聚的电磁波。随后低噪音前置放大器把信号放大到足够水平，再由射频放大器、混频器和中频滤波器对信号做进一步处理得到中频信号，最后中频信号经光纤传输至地面观测室内的数据处理终端。(vi)观测基地建设系统：观测基地主要用于支持望远镜的运行、观测和维护，并满足FAST工作人员的工作与生活需要。根据需要，观测基地包括综合楼、维修厂房和分散在基地及反射面周围的零星建筑。1.3FAST技术指标FAST总体技术指标如图1所示。图12FAST应用展望FAST建成后将成为世界上最大的单口径射电望远镜，并且其将在接下来的至少20年内保持世界领先地位，可以预见，FAST不仅将回答人类关于天文方面的诸多问题，而且对人与自然方面也将产生巨大的作用。基于FAST的性能特点，本文给出了以下几方面可能的应用：2.1中性氢观测氢是宇宙间最简单、最丰富的元素，它与大爆炸几乎同龄。“宇宙的百科全书是用微弱的21cm氢谱线写成的，要阅读它需要非常灵敏的望远镜。”其观测究将回答星系及星系团演化与成因、暗物质空间分布及宇宙低峰扰动等天文学热点问题[4]。星系的演化效应只有在红移0.3或更大时才开始变得明显，大质量星系可能在z2时才开始形成，目前发现的最年轻类星体在z=6~7，将中性氢的观测距离延伸至z=0.3甚至更远的宇宙空间，才能真正构造星系演化的图像。FAST1h的积分观测可将宇宙探测距离延伸到红移0.7；对那些处于活动星系周围壳层中的高密度暖氢云，FAST可回溯至红移3的宇宙距离。我们观测到的最遥远宇宙，即宇宙微波背景辐射是z≈1100的背景光子最后散射面，在z=6~7观测到最早期发光的天体，而对这期间漫长暗纪的宇宙演化一无所知。FAST有独一无二的安静电波环境、高品质的接收机、几乎不受衍射限制的巨大口径以及振子天线的低旁瓣水平。根据理论分析和仿真对EoR源给出了一些空间性质预测，我们指望FAST有探测到第一代天体的幸运。2.2成为VLBI网主受口径衍射限制的天文望远镜分辨率θ≈λ/D。对射电天文望远镜，其工作波长为光学的几百万倍，若想获得与光学相当的分辨率，就得把这口‘大锅’做成几百公里甚至地球那么大，这是难以想象。射电天文学对望远镜分辨率的追求，最终发展成今天的甚长基线干涉测量VLBI。加入VLBI的两面天线可以隔洲跨洋，其角分辨率θ=λ/B,基线B可以有地球直径那么长，如果将天线送至太空将更长，现代全球VLBI网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个数量级。国际VLBI网有欧洲网EVN、美国网VLBA和亚太网APT等.。主要单元天线口径在20~40m,最大的单元100m。如果500m口径的FAST加入，由于它巨大的接收面积和地处所有联测网边缘的地域优势，可将基线检测灵敏度提高10倍，可成图的目标数增加1000倍，成为国际VLBI网俱乐部的‘网主’。由FAST、地面100m天线和空间10m左右天线构成的VLBI系统，其灵敏度也将比现有的设备提高0.5~1个数量级。有可能以优于0.1个日地距离分辨本领，获得少数热谱源精细图像，研究恒星类天体的形成与演化。甚至直接为近邻双星系统和太阳系外行星成像。2.3脉冲星观测脉冲星是极端物理条件下的实验室，是“星际介质的探针”。理论估计银河系中应有脉冲星6万颗，已发现的大约为3%，脉冲星的深度巡视会提供众多的发现机遇。最初发现的100颗全部是正常脉冲星，且全部是单星。当发现脉冲星数目增至500颗时，脉冲星的研究产生了一个飞跃，发现了毫秒级脉冲星、双子星系统、中子星和白矮星系统、中子星和大质量伴星系统、脉冲星中的行星系统、X射线γ射线脉冲星等多类新品种。而当高灵敏度的多波束巡天使脉冲星的数目增至1700时，更新的发现随之而来【5】。目前新品种的脉冲星的数目还不多，而且它们往往是在现有设备的探测极限附近发现的。FAST具有高的灵敏度和大的天区覆盖，有利于发现更多暗弱脉冲星、毫秒脉冲星、脉冲双星、双脉冲星系统、脉冲星行星系统、河外强脉冲星、非球状星团毫秒脉冲星等罕见品种。FAST使用多波束馈源、1h积分时间，将能用一年巡视时间发现7000多颗新的脉冲星。如果幸运，FAST也许会观测到目前尚未发现而可能存在的新品种，如奇异星和黑洞双星等。FAST的非积分高灵敏度(rawsensitivity)特别适用于脉冲星偏振、单个脉冲等的研究，对星际介质做更精确的探测，揭示脉冲星辐射的成因。2.4分子谱线观测FAST工作带宽内包含羟基(OH)、甲醇(CH3OH)和甲醛(HCHO)等17种分子谱线。利用其高灵敏度，可对超强红外星系、高红移星系、活动星系和类星体进行OH，HCHO，CH3OH分子超脉泽的广泛搜寻。FAST的性能将可以观测到更多OH超脉泽源，进一步研究超脉泽和星系类型的关系、超脉泽与核活动的关系、超脉泽和星系核相对论性外流的关系。NGC4258星系核心超脉泽观测结果被誉称为黑洞探测的‘第一门球’，大的OH超脉泽样品，有可能获得更多黑洞存在的证据。Parkes64m望远镜在红移为0.129处探测到了最亮的OH超脉泽，如果使用FAST，它可在z≈1处被探测到，这使OH超脉泽的宇宙学研究成为可能。前OH超脉泽的光度函数测定得不准确，不了解它们的物理机制。多波束模式下，FAST做OH超脉泽的巡天工作，增进我们对其光度函数的理解，我们提供有关它们起源的必要信息CH3OH脉泽是河内最亮的射电点源，出邻近OH脉泽近一个数量级，的研究正成为示踪恒星及行星形成和研究吸积盘的重要工具，国际寻找河外CH3OH超脉泽的努力至今未见结果。2.5高分辨率微波巡视HRMS和寻找地外文明SETI与地外文明通讯的惟一可行的方法是寻找来自地外的“人工”信号。主流SETI科学家认为人类应该将搜索集中在1~3GHz的无线电频率范围内，尤其是在21cm的中性氢线(HI)与18cm羟基线(OH)之间，H与OH结合成水(H2O)，因而这一狭窄频带又称为“水洞”。水对地球生命是最基本的，地外的“水族”可能也会自然地通过水洞寻找同类。在诸多观测课题中，凤凰计划是最著名SETI巡视，它始于1994年，正使用世界上最大的天线对来自邻近的大约1000颗类太阳星周围的无线电信号进行系统的搜索和证认。使用雷达方程进行计算，一个典型电视台的全向等效辐射功率EIRP大致为1MW的量级，地球上最强雷达的脉冲功率约108MW。粗略估算，如果地外文明的天线是无方向性的，假设其发射机功率为1000MW，Arecibo搜索距离为18ly,可探测12颗恒星，FAST的搜索距离达27ly，可观测的恒星达40颗，巨大的FAST也许会给我们巨大的机遇。即使我们没有那份运气，也可以像美国宇航局微波巡视计划HRMS那样，同时扫描上亿个频率，诊断微弱的空间窄带讯号，其国家安全方面的价值不言自明。参考文献[1]NanRD.Fivehundredmeteraperturesphericalradiotelescope(FAST).SciChinaSerG-PhysMechAstron,2006,49(2):129–148[2]严俊,南仁东,王宜,等.500米口径球面射电望远镜(FAST)项目建议书.中国科学院国家天文台,2006[3]NanRD,RenGX,ZhuWB,etal.Adaptivecable-meshreflectorfortheFAST.ActaAstronSin,2003,44:13-18[4]钱磊，李会贤，朱明，田文武.中性氢研究的前沿问题[J].天文学进展,2011,29(4)：408-409[5]徐峰,岳友玲,徐仁新.脉冲星、中子星、夸克星[J].自然杂志,2007(4):200-203