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  1. 天眼》,本片以中国科学家创造的世界独一无二的全球最大的 射电望远镜 “ FAST ”为代表,从最细微,到最遥远,讲述这些具有全球重大科研价值的大科学装置背后承载的一个个温暖却又令人惊叹的人和事,告诉观众它们是如何释放创新之光,探索未知的微观

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    中国贵州省境内科技基础设施

    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,是中国国家“十一五”重大科技基础设施建设项目。

    500米口径球面射电望远镜于2011年3月25日动工兴建 [9];于2016年9月25日进行落成启动仪式,该科技基础设施进入试运行、试调试工作;于2020年1月11日通过中国国家验收工作,正式开放运行 [3]。

    500米口径球面射电望远镜开创了建造巨型望远镜的新模式,建设了反射面相当于30个足球场的射电望远镜,灵敏度达到世界第二大望远镜的2.5倍以上,大幅拓展人类的视野,用于探索宇宙起源和演化 [19]。

    建设历程

    1993年8月26日,在国际无线电联大会上,包括中国在内的10国天文学家提出建造巨型望远镜的计划,渴望在电波环境彻底毁坏前回溯原初宇宙,解答天文学中的众多难题。在这一科学源动力驱使下,通过不断探索,中国天文学家提出了在贵州喀斯特洼地中建造500米口径球面射电天文望远镜的建议和工程方案 [25]。 2005年9月23日,500米口径球面射电望远镜召开FAST项目建议书专家评审会,项目通过评审工作;11月4日,500米口径球面射电望远镜启动立项申请工作 [25]。 2006年3月29日,中国科学院基础科学局主持召开了“FAST项目国际评估与咨询会”,肯定了500米口径球面射电天文望远镜关键技术的可行性 [25];6月16日,中国国家天文台、中科院昆明分院和贵州省科技厅在贵阳组织召开了500米口径球面射电望远镜项目协调会,对该项实施所提供的条件和采取的措施进行了协商,并达成了共识 [24];7月15日,500米口径球面射电望远镜确定选址为贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼洼地 [21]。 2007年7月10日,国家发展和改革委员会批复500米口径球面射电望远镜立项建议书 [25]。 2008年3月18日,500米口径球面射电望远镜FAST进行可研报告的专家评估工作 [25];10月31日,国家发展和改革委员会批复了500米口径球面射电望远镜FAST的可行性研究报告;12月12日,500米口径球面射电望远镜初步设计报告和投资概算通过评审工作;12月26日,500米口径球面射电望远镜于贵州台址大窝凼举行奠基仪式 [9]。 2009年6月9日,500米口径球面射电望远镜完成台址详勘招标工作 [14];11月16日,500米口径球面射电望远镜完成全铝结构反射面单元样机的验收工作 [21]。 2010年9月15日,500米口径球面射电望远镜通过馈源舱方案设计研究的验收工作 [21];9月26日,500米口径球面射电望远镜工程台址施工图设计通过专家评审工作 [21];11月12日,500米口径球面射电望远镜进行项目管理合同签字仪式 [11]。 2011年1月23日,500米口径球面射电望远镜举行台址开挖工程的开工仪式 [20];3月25日,500米口径球面射电望远镜动工兴建 [19];11月30日,500米口径球面射电望远镜举行馈源支撑塔施工图设计合同签署仪式 [28]。 2012年2月22日,500米口径球面射电望远镜完成《FAST工程馈源舱方案优化设计》的合同验收工作 [29];8月4日,500米口径球面射电望远镜完成排水隧道贯通工程 [15]。 2013年3月25日,500米口径球面射电望远镜进行望远镜台址挖掘、基地和主动反射面的建造工作 [27];6月4日,500米口径球面射电望远镜完成光缆模拟工况试验的验收工作 [27];11月29日,500米口径球面射电望远镜完成馈源支撑塔基础工程的验收工作 [21];12月31日,500米口径球面射电望远镜完成圈梁钢结构合拢工作 [12]。 2014年3月15日至7月23日,500米口径球面射电望远镜片进行馈源塔的现场安装工作;5月1日,500米口径球面射电望远镜进行舱停靠平台工程建设工作 [27];6月23日,500米口径球面射电望远镜完成舱停靠平台主体建设工作 [27];7月17日,500米口径球面射电望远镜进行反射面索网制造与安装工程建设工作 [21];7月23日,500米口径球面射电望远镜完成反射面地锚工程的验收工作 [27]9月11日,500米口径球面射电望远镜完成FAST圈梁制造和安装工程的验收工作 [13];10月16日,500米口径球面射电望远镜完成测量基墩的竣工验收工程 [27];11月15日,500米口径球面射电望远镜完成反射面索网制造与安装工程建设工作;11月30日,500米口径球面射电望远镜完成反射面索网制造与安装工程的验收工作 [27]。 2015年1月21日,500米口径球面射电望远镜完成代舱结构的部分焊接和安装工作;2月4日,500米口径球面射电望远镜完成最后一根钢索安装工作,索网合龙 [4];2月10日,500米口径球面射电望远镜完成索驱动第一根支撑索安装工作 [16];8月2日,500米口径球面射电望远镜完成第一个反射单元的吊装工作 [5];9月30日,500米口径球面射电望远镜完成项目综合布线工程,并进行10千伏高压线缆的耐压测试、变电站设备调试工作 [6];11月21日,500米口径球面射电望远镜进行首次馈源舱的升舱试验工作 [7];11月30日,500米口径球面射电望远镜完成舱停靠平台的验收工作 [17]。 2016年7月3日,500米口径球面射电望远镜完成最后一块反射面单元安装工作 [8];7月31日,500米口径球面射电望远镜完成观测基地主体箭镞的建设工作 [27];9月25日,500米口径球面射电望远镜进行落成启动仪式,该科技基础设施进入试运行、试调试工作。 2019年4月19日,500米口径球面射电望远镜试开放;4月22日,500米口径球面射电望远镜通过工艺验收工作 [30];5月27日,500米口径球面射电望远镜项目通过档案验收工作 [31];5月30日,500米口径球面射电望远镜项目通过建安和财务专业验收工作 [32]。 2020年1月11日,500米口径球面射电望远镜通过中国国家验收工作,并正式开放运行 [3]。

    观测运行

    2018年4月18日,500米口径球面射电望远镜(FAST)首次发现毫秒脉冲星,并获得国际认证 [34]。 2019年1月24日,500米口径球面射电望远镜与天马望远镜实现首次联合观测,获得甚长基线干涉测量(VLBI)干涉条纹 [33]。 2021年3月31日,500米口径球面射电望远镜向全球天文学家征集观测申请 [35]。 2022年6月,500米口径球面射电望远镜发现首例持续活跃快速射电暴,该成果于北京时间2022年6月9日在国际学术期刊《自然》杂志发表。 2022年9月,“中国天眼”FAST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,向着揭示快速射电暴中心引擎机制迈出重要一步。 2022年10月报道,中国科学院国家天文台利用中国天眼FAST进行成像观测,在致密星系群——“斯蒂芬五重星系”及周围天区,发现了1个尺度大约为两百万光年的巨大原子气体系统,也就是大量弥散的氢原子气体。这是迄今为止,在宇宙中探测到的最大的原子气体系统。该成果于北京时间2022年10月19日23点在国际学术期刊《自然》杂志发表。 2022年12月10日消息,近日,国家天文台韩金林研究员科研团队利用中国天眼FAST探测了银河系内气体介质,获得高清图像。系列成果于2022年12月10日发表在专业学术期刊《中国科学》上。 2022年12月26日,中国科学院国家天文台的消息,该台研究员李菂团队通过系统分析的500米口径球面射电望远镜(FAST)的快速射电暴观测数据,精细刻画出动态宇宙的射频偏振特征,最新研究揭示圆偏振可能是重复快速射电暴的共有特征。这一重要天文观测发现及研究的成果论文,北京时间12月26日以封面文章形式在中国科技期刊卓越行动计划综合性领军期刊《科学通报》(Science Bulletin)发表。 北京时间2023年6月21日,国际学术期刊《自然》在线发表了中国天眼FAST取得的一项重要成果。研究团队利用中国天眼FAST发现了一个名为PSR J1953+1844(M71E)的双星系统,其轨道周期仅为53分钟,是目前发现轨道周期最短的脉冲星双星系统。该发现填补了蜘蛛类脉冲星系统演化模型中缺失的一环。 2023年6月消息,科学家利用“中国天眼”FAST发现了一个轨道周期仅为53分钟的脉冲星双星系统,是目前发现的轨道周期最短的脉冲星双星系统,从观测上证实了蜘蛛类脉冲星从“红背”向“黑寡妇”系统演化的理论。该研究由中国科学院国家天文台科研团队与国内外合作者完成,相关成果21日在国际学术期刊《自然》在线发表。 “中国天眼”FAST发现了一个轨道周期仅为53分钟的脉冲星双星系统,是目前发现的轨道周期最短的脉冲星双星系统,从观测上证实了蜘蛛类脉冲星从“红背”向“黑寡妇”系统演化的理论。 北京时间2023年7月27日凌晨, 国际科学期刊《自然》发表了围绕中国天眼FAST发现的最新成果“微类星体中的亚秒级周期射电振荡”,该成果在国际上首次观测到微类星体中亚秒级的低频射电准周期振荡的现象——这一黑洞射电辐射脉搏的发现,揭示了黑洞喷流的复杂动力学特性。 2023年8月18日,国际科学期刊《自然·天文》发表了中国科学院国家天文台韩金林研究员领导的王绶琯巡天突击队的新成果,该团队利用中国天眼FAST成功探测并解析了一批脉冲星B2111+46磁层中零星雨滴般的微弱矮脉冲辐射,这种矮脉冲辐射族群是国际上其他射电望远镜难以观测的脉冲星辐射新形态,揭示了脉冲星辐射濒临熄灭时其磁层结构基本不变的物理事实。此次矮脉冲族群的发现为研究脉冲星辐射难题研究打开了一个新窗口,对揭示脉冲星磁层物理及其极端等离子体环境具有重要的科学意义。 2023年10月,由中国科学院国家天文台韩金林研究员领导的“王绶琯巡天突击队”利用中国天眼FAST在“银道面脉冲星快照(GPPS)巡天”中新发现了76颗偶发脉冲星,包括目前人类已知脉冲星中最暗弱的一批天体,它们仅在少数旋转周期中偶然辐射脉冲,国际上称为“旋转射电暂现源(RRAT)”。该团队还利用FAST对国际上已知的59颗RRAT进行了高灵敏度的观测,确认RRAT就是偶发脉冲星。

    500米口径球面射电望远镜位于中国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇金科村大窝凼洼地,东北距平塘县城约85千米,西南距罗甸县城约45千米 [1]

    东经

    北纬

    106°50′55″

    106°52′02″

    25°38′48″

    建设目标

    1、500米口径球面射电望远镜工程在贵州喀斯特洼地内铺设口径为500米的球冠形主动反射面,通过主动控制在观测方向形成300米口径瞬时抛物面; 2、采用光机电一体化的索支撑轻型馈源平台,加之馈源舱内的二次调整装置,在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,实现高精度的指向跟踪; 3、在馈源舱内配置覆盖频率70兆赫至3吉赫的多波段、多波束馈源和接收机系统; 4、针对FAST科学目标发展不同用途的终端设备;建造的天文观测站 [1]。

    科学目标

    1、巡视宇宙中的中性氢,研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化; 2、观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律; 3、主导国际低频甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构; 4、探测星际分子,研究恒星形成与演化、星系核心黑洞一级探索太空生命起源; 5、搜索可能的星际通讯信号,搜寻外星文明 [1]。

    技术难题

    •建设难题 1、500米口径球面射电望远镜全新的设计理念带来了极大的技术挑战;巨大的反射面能根据天体的目标位置实时地主动调节形状,在观测方向上需形成300米直径的瞬时抛物面; 2、30吨的馈源舱在140米的高空、206米的范围内,利用六根钢索进行高精度控制。 3、反射面和馈源舱须在公里级的尺度上实现毫米级的动态控制精度。 4、巨大工程体量、超高精度要求及特殊的工作方式,造就了FAST前所未有的技术挑战。 •技术突破 500米口径球面射电望远镜与当下同类大口径射电望远镜相比,它的独到之处为: 1、利用地球上的优良台址贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址。 2、自主发明主动变形反射面,在观测方向形成300米口径瞬时抛物面汇聚电磁波,在地面改正球差,实现宽带和全偏振。 3、采用光机电一体化技术,自主提出轻型索拖动馈源支撑系统和并联机器人,实现望远镜接收机的高精度指向跟踪,并将万吨平台降至几十吨 [1]。 •技术创新 1、索网作为当下世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系; 2、总面积25万平方米的主动反射面系统由4450块反射面单元组成,每块反射面又由100块铆接式铝制冲孔小面板拼接而成,不但减少重量,并可使雨水渗漏,阳光透过,以保证地面植被正常生长; 3、“馈源舱支撑系统”的支撑方式。馈源舱支撑系统采用柔索支撑的方式,由支撑塔、索驱动、馈源舱、舱停靠平台这四个子系统构成主体部分,突破了传统射电望远镜馈源舱与反射面相对固定的刚体支撑模式 [1]。 •科技创新

    科研成果

    2022年9月21日,由北京大学李柯伽教授、东苏勃教授与胥恒、陈平博士等人参与的FAST优先和重大科学研究团队,在国际学术期刊Nature发表文章对重复性快速射电暴FRB20201124A的起源进行了评估。该团队通过对这个源的深度观测取得的若干重要发现都是国际首次 [48]。 截至2023年2月,被誉为 “中国天眼”的 500 米口径球面射电望远镜(FAST),已发现超 740 颗脉冲星。 2023年3月,“中国天眼”发现重复快速射电暴被评为2022年度中国十大科学进展。 2023年6月,科学家利用“中国天眼”FAST发现了一个轨道周期仅为53分钟的脉冲星双星系统,是目前发现的轨道周期最短的脉冲星双星系统,从观测上证实了蜘蛛类脉冲星从“红背”向“黑寡妇”系统演化的理论。该研究由中国科学院国家天文台科研团队与国内外合作者完成,相关成果6月21日在国际学术期刊《自然》在线发表。 2023年6月,由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列研究团队,利用中国天眼FAST,探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据,表明中国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关研究成果于北京时间6月29日在中国天文学术期刊《天文与天体物理研究》在线发表。 2023年7月27日凌晨,国际科学期刊《自然》发表了由武汉大学天文学系与中国科学院国家天文台联合领导的国际合作研究论文《微类星体中的亚秒级周期射电振荡》(Sub-second periodic radio oscillations in a microquasar),该论文是中国天眼FAST发现的最新成果,揭示了黑洞喷流的复杂动力学特性。 2023年7月29日,国际科学期刊《科学·进展》发表了中外联合团队的最新研究,揭示了快速射电暴(FRB)爆发现象与射电脉冲星辐射可能存在物理机制上的不同 [67]。 2023年8月18日,国际科学期刊《自然·天文》发表成果,利用中国天眼FAST成功探测并解析了一批脉冲星B2111+46磁层中零星雨滴般的微弱矮脉冲辐射,这种矮脉冲辐射族群是国际上其他射电望远镜难以观测的脉冲星辐射新形态,揭示了脉冲星辐射濒临熄灭时,其磁层结构基本不变的物理事实。 2023年12月消息,中国科学院国家天文台发布科研动态,徐金龙等研究人员利用 FAST 中性氢观测数据,带来了关于大质量透镜星系如何形成的新见解。 [72]同月,贵州大学贵州射电天文台、中国科学院国家天文台和北京大学的研究团队利用中国天眼巡天数据,构建并释放了世界最大的中性氢星系样本,向全世界的星系与宇宙学研究人员共享了高质量的大样本观测数据。这一成果在中国学术期刊《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版以封面文章的形式发表。

    数据成果

    截至2021年5月,500米口径球面射电望远镜发现脉冲星逾370颗,并在快速射电暴等研究领域取得系列重大突破 [36]。 截至2022年7月,被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜已发现660余颗新脉冲星。 [44]FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏表示:“‘中国天眼’已经进入成果爆发期,观测设备的稳定运行对此做出了巨大贡献。” 截至2022年8月,基于FAST观测数据发表的高水平论文超过百篇。FAST的高灵敏度观测还发现了重复快速射电暴及偏振角变化,揭示快速射电暴来源于遥远宇宙的磁星。 截至2023年7月,被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)已发现800余颗新脉冲星。 [63]10月2日报道,“王绶琯巡天突击队”利用中国天眼FAST在“银道面脉冲星快照(GPPS)巡天”中新发现了76颗偶发脉冲星。

    •宣传影片

    2015年5月29日,《FAST工程宣传片》发布,其内容对当时在建的500米口径球面射电望远镜的建设情况及规模进行了介绍 [18]。

    •教育基地

    2017年12月6日,中华人民共和国教育部发布《关于公布第一批全国中小学生研学实践教育基地、营地名单的通知》,500米口径球面射电望远镜入选第一批中国全国中小学生研学实践教育基地 [22]。

    应用价值

    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 [9]。 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。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。 500米口径球面射电望远镜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。能用一年时间发现约7000颗脉冲星,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;作为最大的台站加入国际甚长基线网,为天体超精细结构成像;还可能发现高红移的巨脉泽星系,实现银河系外第一个甲醇超脉泽的观测突破;用于搜寻识别可能的星际通讯信号,寻找地外文明等等 [10]。

    发展推动

    500米口径球面射电望远镜落户贵州,为贵阳市以全力支持国家超大型科学装置建设为切入点谋求重大发展机遇、加速提升了贵阳市科技经济水平,开辟了新渠道。对贵阳市装备制造业、铝工业结构升级有重大意义。一,加快提升铝工业和装备制造业的创新能力。二,加快本地铝材料高新技术企业的成长和高性能高科技铝产业链的形成。三,促进贵阳市机电行业和三大军工企业的技术进步和技术升级 [26]。 500米口径球面射电望远镜建在贵州,使得边远闭塞的黔南喀斯特山区将变成世人瞩目的国际天文学术中心,成为把贵州展现给世界的新窗口。将会对中国西南贫困山区的经济发展和社会繁荣产生不可估量的影响,为国家西部开发战略贡献力量。以FAST为主体的天文科普基地将推进中国西部、甚至全国的科普工作,教育青少年、宣传公众与决策层,为科教兴国的长远战略目标服务级 [26]。 500米口径球面射电望远镜项目建设将使贵州省在较短时间内发展成为国际一流的天文学交流中心、世界天文学的研究中心及天文科技旅游目的地之一。FAST不仅对推进世界天文学事业发展具有重大意义,而且对贵州教育、科技、旅游、科普和大数据据产业的发展具有重要的推动作用 [10]。

    2023年8月,国家重点研发计划“智能机器人”重点专项“重大科学基础设施FAST运行维护作业机器人系统”项目通过验收,将为“中国天眼”提供运行维护保障。

    2023年12月,”中国天眼“FAST探测到低频引力波存在的证据,入选2023年度国内十大科技新闻。

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