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本文為2019年5月20日“我是科學(xué)家”演講活動第十一期——中國制造 | 姜鵬 演講實錄：
在貴州群山深處，有一座500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（簡稱FAST）。有人戲稱這是“山里的一口大鍋”，裝滿礦泉水，全世界70億人每人可以分到四瓶；也有人叫它“中國天眼”。作為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，也有世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，中國天眼背后有哪些故事？中國天眼(FAST)總工程師，國家天文臺研究員姜鵬帶你看“中國天眼”，聽宇宙“心跳”。
首先要澄清一個事實：比起“科學(xué)家”，我更合適的身份應(yīng)該是“工程師”。
說起FAST，世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。到目前為止，它的靈敏度已經(jīng)是世界上第二大望遠(yuǎn)鏡的三倍左右，這也是中國建造的射電望鏡第一次在靈敏度這個參數(shù)上達到了最高點。這為我們中國天文學(xué)的發(fā)展——包括科學(xué)家的一些重大發(fā)現(xiàn)，提供了可能。
說到這里，還要從FAST的應(yīng)用背景說起，即射電天文學(xué)。1933年，卡爾·央斯基（Karl G. Jansky）在一次雷達通訊實驗中，意外地發(fā)現(xiàn)了射電天文學(xué)的窗口。此后，他為人類貢獻了四大發(fā)現(xiàn)（如圖右上）。這些成果的取得，與設(shè)備的發(fā)展是密不可分的。
從雷伯（Grote Reber）造了第一臺9.47米望遠(yuǎn)鏡開始，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷史就是追求靈敏度的歷史（如上圖）——科學(xué)家們一直想要造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，因為口徑越大，就意味著越大的收光面積，在探測暗弱信號方面有更強的能力。這樣，一方面可以極大地擴展可觀測樣本的數(shù)量，其中就可能孕育著一些重要發(fā)現(xiàn)；另一方面，也可以觀測到更早期或更遙遠(yuǎn)的宇宙現(xiàn)象，對研究宇宙演化歷史有非常大的幫助。
1972年，德國人把望遠(yuǎn)鏡做到100米后，采用傳統(tǒng)工作模式的望遠(yuǎn)鏡至今還在100米左右的水平，由于受風(fēng)載和自重等因素的限制，很難再有突破。Arecibo（阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡）開拓了一種建造望遠(yuǎn)鏡的新模式，但是巨大的平臺也給它造成了很多困難，駐波和收光效率等等都受到一些影響。怎樣建造更大口徑的望遠(yuǎn)鏡，就變成了一個非常重要的瓶頸——直到一個概念的出現(xiàn)，改變了這種狀況，它與我們剛才提到的FAST有關(guān)。
是什么樣的概念，使得FAST具備突破傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡極限的能力呢？
其實是拋物面和球面之間的一個機緣巧合。
一束平行光打過來，可以匯聚到焦點——這是只有拋物面才有的幾何特性，所以傳統(tǒng)望鏡的工作反射面都是拋物面的形狀。但拋物面跟球面到底有多大差距？過去的人沒怎么關(guān)注。直到上個世紀(jì)，中國天文學(xué)家好奇地進行了計算，得到的結(jié)果出乎很多人的意料——一個300米的拋物面，只要選擇合適的焦點，球面和拋物面偏離的最大距離只有0.47米，這0.47米就成為了一個重大突破方案的可能性。
有了這個發(fā)現(xiàn)，我們就大概形成了一個方案：先建造一個基準(zhǔn)球面，然后設(shè)置一群可以微微改變反射形狀的微小驅(qū)動裝置，這樣就可以在它局部區(qū)域形成一個300米的拋物面。比如我們想觀測S2圓，只需要在左下角形成一個拋物面；如果想觀測S1圓，只需要在右下角形成一個拋物面。我們可以讓拋物面在球面上運動，對天體進行跟蹤，并進行掃描等等一些觀測。那余下的問題就是，如何把接收機以正確姿態(tài)放在焦點的位置上。
要把這個概念真的做成一個望遠(yuǎn)鏡，還有三件事要做——
第一件事，要選一個合適的臺址。首先，要找個天然的、這么大的洼坑，如果在平地上人工挖掘，幾臺望遠(yuǎn)鏡的成本投入進去可能都不夠；而且，這個地方要遠(yuǎn)離人口密集區(qū)域，因為天體信號非常暗弱，大量存在各種干擾源不利于觀測；此外，不能有積水，同時還要有非常優(yōu)良的地質(zhì)條件——而所有這些因素都在貴州的喀斯特洼地上具備，這也是后來選這個地方做臺址的主要原因。
第二件事，實現(xiàn)球面到拋物面之間的變化?，F(xiàn)在大家去看FAST，可能會覺得本身就該如此——但事實上，建造過程中經(jīng)歷了很多很多變化。最早，我們想在洼地里布置2000多臺促動器，促動器掛著面板進行變位，但是這種方式需要有大量的維修工作，很難解決。后來，就采用更清潔的方式，就是索網(wǎng)；其實中間還提過索聯(lián)網(wǎng)機等等一些方案。索網(wǎng)到底是采用三角形網(wǎng)格，還是采用四邊形網(wǎng)格？是掛在周圍的山體上，還是單獨做一個環(huán)形的支撐結(jié)構(gòu)？控制索是一根還是選擇三根？這一切的方案都需要精細(xì)的計算、分析和論證，最后才能確定。
最后一件事，就是怎么實現(xiàn)接收機的精準(zhǔn)定位。最早的Arecibo就提出一個方案：先做個大平臺，然后再把接收機放在平臺上進行運動、控制。但是，巨大平臺有很多問題，比如天體的發(fā)出的電磁波是從正上方下來，所以它首先要把有效的電磁波擋掉一部分，望遠(yuǎn)鏡的口徑效率上很難實現(xiàn)；而且信號會在平臺和反射面之間震蕩形成駐波；另外還有一點，它附近還有機場，機場這種干擾信號經(jīng)過平臺之后也會進入到望遠(yuǎn)鏡里，所以它抗干擾能力也比較弱。
我們就想，用什么方式來形成更好的方案呢？
最后FAST提出的概念，超乎想象。它通過六根鋼索控制一個30噸的饋源艙，這種方式可以實現(xiàn)精確定位，然后把接收機在放在艙里頭。但這個概念很難實現(xiàn)，而且通過六根鋼索只能控制艙的位置，而接收機本身不僅僅需要控制位置，還要控制姿態(tài)，因為它的指向應(yīng)該是主光軸的方向。六根鋼索不足以實現(xiàn)整個饋源艙姿態(tài)的全部精確控制，所以在里邊又做了套A-B軸機構(gòu)輔助接收機進行姿態(tài)的控制。這么大一套柔性系統(tǒng)，它的跨度大概有600米，遇到風(fēng)等某些因素會產(chǎn)生震動，怎么辦？所以在它的下平臺做一套Stewart平臺，起到穩(wěn)定的作用。這就形成了一個非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)。所以，我們經(jīng)常說FAST這個方案，只有天文學(xué)家敢想得出來；我們做工程的人很敢蠻想這些現(xiàn)象。
由此，F(xiàn)AST的原理模型也漸漸清晰了：一個近萬根鋼索編制成的柔性索網(wǎng)掛在一個500米口徑的環(huán)梁上，有2000多個主索解點；每個主索解點下面放一個控制索，固定在地面促動器上，然后通過促動器控制就可以改變索網(wǎng)的形狀——因為它是柔性的，所以可以在局部區(qū)域形成拋物面，而拋物面可以在整個球面上運動，進行跟蹤、掃描等等工作。然后上面有六根鋼索控制一個30噸的饋源艙——饋源艙比反射面高140米，艙內(nèi)還有A-B軸和Stewart平臺，讓輔助接收機進行姿態(tài)的控制。這一套系統(tǒng)需要在140米高空，在200米尺度范圍內(nèi)通過六根繩子，把接收機的位置控制到10個毫米以內(nèi)，是非常匪夷所思的一個精度控制。
演講嘉賓姜鵬：《FAST：貴州群山深處，中國天眼正在睜開》
有了這個方案之后，F(xiàn)AST開始推動立項，在2011年開始建設(shè)。南先生（南仁東，曾任FAST工程首席科學(xué)家兼總工程師，2017年9月15日因病逝世）在世的時候說，他一生遇到的最好的一個問題，是來自一個外國友人：你知道500米有多大嗎？他當(dāng)時被問住了，因為500米在我們大多數(shù)人心里都是數(shù)字，很難真正體驗它的尺寸。
我們有一些好奇的同事真的算了一下：如果把FAST想成一口裝滿水的鍋，全世界70億人每人可以分四瓶礦泉水，夠喝一天。
其實我們知道，外國友人問南先生的問題，不是真的想問他有多大，而是善意地提醒：這件事情不一定會像想的那樣順利，一定存在想不到的問題——因為五百米的望遠(yuǎn)鏡從來沒有人做過。
結(jié)果這話很快就被驗證了。
我們?nèi)缁鹑巛钡剡M行臺址開挖的時候，一個差點讓FAST毀于一旦的技術(shù)問題出現(xiàn)了，就是“索疲勞”問題。剛才提到，球面到拋物面變化是通過索網(wǎng)實現(xiàn)，所以它對疲勞系統(tǒng)要求極高，要求鋼索能承受500兆帕應(yīng)力——相當(dāng)于傳統(tǒng)規(guī)范的兩倍還要多。
我們從市面上買了大概10根鋼索進行實驗，結(jié)果沒有一根能滿足要求，由此我們進行了一次大規(guī)模的鋼索疲勞性能實驗研究——可能也是建國以來、能查到資料范圍內(nèi)最大規(guī)模的一次索疲勞實驗，因為索疲勞實驗枯燥、耗時長，沒有人愿意做。為了加快方案遴選，我們經(jīng)常在全國不同的地方實驗——比如北京、武漢、廣西，都在進行。最后用了兩年多的時間，把FAST最嚴(yán)重的一次技術(shù)風(fēng)險給解決掉了。
還有一些匪夷所思的難題，比如“精度控制”。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)只關(guān)心兩件事：美不美觀，安不安全。對于FAST 500米的跨度來講，差5毫米、50毫米，甚至差500毫米，視覺上都沒法識別。它不會影響任何美觀，但是會影響安全。而且，哪怕差幾個毫米，天線效率都會大幅下降。所以我們做的所有結(jié)構(gòu)的精度，都是超乎所思的。
舉個較直觀的例子。在我們的望遠(yuǎn)鏡底部，你會看到這樣一排控制索：從一個角度看的話，是這樣一排；但如果換個角度，就只有一根。這個是非常、非常匪夷所思的精度控制，你要是知道它的施工順序的話，就更能體會它的難度。因為我們先做的是2000多臺促動器的基礎(chǔ)（圖中黃色部分），然后再做500米口徑的環(huán)梁，然后再把近萬根鋼索編織成索網(wǎng)，最后再把那根桿連上、把控制索連起來。500米的尺度下，視覺上能做到嚴(yán)絲合縫，我敢說這是一個工程的奇跡。
整個施工方式也都是專門的FAST設(shè)計方案，因為施工場地限制非常大，大型設(shè)備沒法進。
FAST有一些不可思議的施工方式，現(xiàn)在都形成了國家工法——在施工技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)是頂級的榮譽了。比如環(huán)梁，要像搭積木一樣，利用結(jié)構(gòu)本身作為通道，一塊一塊地推進去。
此外，所有的圈梁和饋源塔基礎(chǔ)都是在半山腰或者懸崖峭壁上，所以只能用最原始的人工挖孔樁的施工方式。我們最深的人工挖孔樁大概是38米深，相當(dāng)于十幾層樓的高度，在下邊呼吸都會覺得困難；而且有非常大的風(fēng)險，比如踢一個石子下去都是致命的威脅。
還有索網(wǎng)的安裝。因為沒有場地，所以要在空中一根一根地散拼，1萬多根鋼索、2000多個界面，都是一個一個進行構(gòu)架安裝。而且這些索，每個尺寸都不一樣，要么長短不一樣，要么粗細(xì)不一樣，規(guī)格大概有上千種，裝錯一根索網(wǎng)，就沒辦法成形。所以每個索都要做精細(xì)的安排，都打上二維碼現(xiàn)場進行識別，避免出錯。
最高的塔大概170多米，起重機也沒法進，所以只能采用最原始的人工爬桿的方案，一根一根地進行拼裝。
可以說，這個項目大概凝結(jié)了幾千名一線工人的汗水。經(jīng)常有外國人到這來，走一走，轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，然后感嘆：“只有你們中國能做到FAST”。我想，這主要是跟這些一線工人們有關(guān)，而不是我們。
2016年9月20號,項目落成了,這是整體落成儀式上拍的一個照片。
但這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是結(jié)束，只是新一輪挑戰(zhàn)的一個開始——更難的事情還在后面，那就是：望遠(yuǎn)鏡調(diào)試工作。
FAST采用全新設(shè)計理念建造了世界上最大的望遠(yuǎn)鏡，它可以突破百米工程極限，實現(xiàn)前所未有的靈敏度，優(yōu)勢非常突出——但是，任何事情都有兩面性，在取得一定優(yōu)勢的同時肯定要付出代價。傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡一般只有兩套驅(qū)動機構(gòu)，一個自旋軸和一個俯仰軸，非常簡單。但對于FAST來講，光是反射面就需要2000臺促動器協(xié)同控制，安全風(fēng)險也很大，是從沒有實現(xiàn)過的難度。
而且，我們還面臨非常多的問題。
比如，右邊這張圖，控制系統(tǒng)大概分這樣三部分，由一百多個參建方參與建設(shè)，加上科研支撐控制系統(tǒng)，又能分出五個子系統(tǒng)，而且這五個子系統(tǒng)又是由五家單位做的。怎么把他們各自負(fù)責(zé)的部分搭起來連到一塊，是我們面臨的非常困難的工作。后來我們干脆把所有東西都接過來，一行行代碼親自改，大概用了四個月左右，實現(xiàn)了饋源艙科研支撐系統(tǒng)第一次整體聯(lián)調(diào)。
這就意味著望遠(yuǎn)鏡和科研艙的功能調(diào)試實現(xiàn)了：反射面可以動了，饋源支撐系統(tǒng)也可以跟蹤了。
這是在2017年8月27號，F(xiàn)AST第一次實現(xiàn)了對固定目標(biāo)元的跟蹤。我們一次跟蹤了10分鐘，一次跟蹤了40分鐘。我們最擔(dān)心的一件事就是望遠(yuǎn)鏡能不能正常動起來——這個時候，有了答案。
當(dāng)時，我給南先生發(fā)了一條微信，他非常高興。其實那個時候他已經(jīng)身體很不好了，這也是我跟他最后一次交流。
剩下的，就是怎么實現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。其實只需要做兩件事：
第一，能不能把拋物做得完美——拋物面越完美，平行的電磁波打到拋物面上就越能匯集到點上。
第二，能不能把接收機放到焦點的位置上——離焦點越近，收集的信號就越強。
但是這兩件事，如何分解？比如反射面的精度，要把測量、控制、制作和安裝這一系列精度分解到某一個可獨立量化評估量，還要考慮技術(shù)方案能不能實現(xiàn)。整個過程是非常復(fù)雜的一個符號分解體系。
舉例來說，我們現(xiàn)場測量采用全站儀，它是一個比較簡單的商品成品設(shè)備，花二、三十萬就可以買一臺。但是全站儀只是個相對位置的測量設(shè)備，只能測量目標(biāo)點跟儀器本身的相對位置；而想要知道目標(biāo)點的絕對位置，得首先要知道儀器本身的絕對位置。我們在現(xiàn)場做了20多個基準(zhǔn)站，但定位這些基準(zhǔn)站是花錢也買不到的事情。
現(xiàn)場高差大概150米，人從底下走上去不會有任何感受；但事實上，之間的氣壓會有25毫帕的變化。光穿過不同密度介質(zhì)會有折射，500米尺度下，氣壓變化導(dǎo)致的誤差就會達到5到10個毫米。另外，所有全站儀都采用水準(zhǔn)坐標(biāo)系（也就是說，全站儀都指向地心的軸向方向），但在500米尺度下，會有夾角帶來的20毫米左右誤差，所以還要考慮地球的曲率。
經(jīng)過半年左右的努力，我們發(fā)展了一套全新的測量技術(shù)，把測量精度最后做到1個毫米以內(nèi)，是一個不太容易實現(xiàn)的水平。
有了這些工作之后，F(xiàn)AST的靈敏度顯著提升。到現(xiàn)在為止，它的靈敏度可以達到2700平方米左右水平——相當(dāng)于美國Arecibo（世界第二大望遠(yuǎn)鏡）的三倍左右；相比GBT（綠灣射電天文望遠(yuǎn)鏡）、Effersberg（埃菲爾斯伯格射電望遠(yuǎn)鏡）等百米級的望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST靈敏度大概是它們的十倍。這也是中國建造設(shè)備第一次在靈敏度參數(shù)上達到了世界之最。
現(xiàn)在，科學(xué)上也已經(jīng)有首批科學(xué)成果了。
我們發(fā)現(xiàn)了很多脈沖星候選體，還探索到其他望遠(yuǎn)鏡從未探測到的脈沖星現(xiàn)象——包括一些我們在去年2月份探測的毫秒脈沖星。毫秒脈沖星本來是費米望遠(yuǎn)鏡在高能波段看到的，很多科學(xué)家都懷疑它可能是個脈沖星。Arecibo和Effersberg對這個源看了很久，都沒有找到；但FAST用一個小時跟蹤，就把這個脈沖星尋找到了。我們把觀測到的參數(shù)反饋給Arecibo之后，他們也找到脈沖星了；然后又反饋給費米望遠(yuǎn)鏡，他們對過去八、九年的數(shù)據(jù)進行折疊，最后也找到了。科學(xué)家對脈沖星的種類可能有一些新的定義，首批的科學(xué)成果已經(jīng)發(fā)表在《中國科學(xué)》雜志上。
我們團隊為這個項目投入了很多青春和汗水，南先生用最后的20年全力打造這臺望遠(yuǎn)鏡，我后來的第三代、第四代科學(xué)家也在成長，把我們至少十年的青春投入到這臺望遠(yuǎn)鏡，所以我們對這個設(shè)備有很多感觸和感情——
首先，是不能忘記的初心。我們要造的是一臺好用的望遠(yuǎn)鏡。我們不是只是做世界最大——要做最大很容易，滿地鋪，總能鋪出世界最大。但如果要做成好用的望遠(yuǎn)鏡，就是不同難度級別的挑戰(zhàn)。
第二，也對未來有美好愿景。我們期待望遠(yuǎn)鏡做好之后，未來的科學(xué)家們能用好設(shè)備。我們也知道，重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)不僅僅取決于設(shè)備的優(yōu)良性能，也不僅僅取決于科學(xué)家的敏銳洞察力，可能還需要一些運氣。我們真心祝福他們有足夠的運氣，能產(chǎn)生一些重大原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)。
第三，必須要接受現(xiàn)實。我們是工程團隊，盡管目前為止工程做得如火如荼，但未來的舞臺中心一定屬于科學(xué)家。我們也甘當(dāng)綠葉，陪襯他們的光輝。我們工程團隊就像鐵打的營盤流水的兵，可能還會做其他的事情。
最后，我們也有一點奢求：期待如果FAST能有一些重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，希望大家還能記住這個大概100號人左右的團隊，用了20多年的青春，最后鑄就了中國利器。
謝謝大家。
演講嘉賓姜鵬：《FAST：貴州群山深處，中國天眼正在睜開》
