“中国天眼”FAST，为何必须“大”？丨观天巨眼

自2016年落成以来，FAST（500米口径球面射电望远镜，被誉为“中国天眼”）已在银河系内捕获超过1000颗脉冲星，其中包含人类迄今所知的最暗弱脉冲星。FAST的灵敏度，令全球天文学家为之倾倒。

然而，一个根本性问题常常被提出：既然建造500米口径的“天眼”面临如此艰巨的技术挑战，如索网疲劳、馈源舱精确定位、反射面主动变形等，为何不建造多个小型射电望远镜，通过合成孔径技术来实现等效的大口径效果呢？单个“巨无霸”，究竟比一群“小眼睛”强在哪里？它又有哪些不可替代的“独门绝技”？

截至2024年10月，FAST新发现脉冲星已超1000颗。

（图片来源：中国科学院国家天文台）

“巨眼”诞生：喀斯特洼坑中的工程奇迹

在贵州层峦叠嶂的喀斯特大山中，一口直径500米的“大锅”静卧于大窝凼洼地。FAST选址背后，是中国天文学家对400多个候选洼地反复筛选，最终找到最适合作为FAST台址的天然喀斯特洼坑，可将土石方工程量减少到最低，同时利用周边山地屏障隔离无线电干扰。

坐落于山间的FAST望远镜

（图片来源：FAST运行和发展中心）

FAST的建设史是一部人类挑战工程极限的史诗：

索网结构：6670根主索编织成全球跨度最大的主动变位索网，钢索疲劳性能需达当时国标的2.5倍。科研团队耗时约2年创新钢索制造工艺，最终使钢索能承受500兆帕应力幅（相当于一根头发丝要反复承受一辆小轿车的重量拉扯 —— 头发丝的横截面积极小，而小轿车的重量集中在这极小的面积上，每一次拉扯的“力度差”都大到惊人）、200万次疲劳加载（参考文献[[1]]）。

主动反射面：4450块三角形反射面板组成可变形镜面。通过2225个促动器牵拉索网，能在观测时实时形成300米口径的瞬时抛物面，精度控制在毫米级。

馈源舱驱动系统：30吨重的馈源舱由6根钢索悬吊于140米高空。采用“粗调悬索+AB轴机构+精调Stewart平台”的三级控制，使馈源这个“宇宙信号收集器”能在复杂的野外环境中稳定定位，使其位置误差不超过10毫米，实验值可达4.8毫米（参考文献[2]）。

正是这些令人叹为观止的技术突破，才让这只“观天巨眼”得以睁开。

悬挂在半空中的FAST望远镜馈源舱

（图片来源：FAST运行和发展中心）

单镜VS阵列：捕捉宇宙信号的本质差异

要理解FAST为何需要“大”，首先要明白射电望远镜的核心能力取决于两个关键维度：灵敏度和空间分辨率。

灵敏度决定了望远镜能“看到”多暗弱的光源，这一能力直接取决于有效接收面积，面积越大，捕获的电磁波越多，就像一只更大的耳朵能够收集到更多声波，从而能听到更细微的声响。而空间分辨率则决定了望远镜能“看清”多精细的结构，这取决于望远镜的口径（或等效口径），口径越大，分辨率就越高，能区分天空中靠得更近的点源。

通常来说，在相同接收面积下，单口径射电望远镜的灵敏度更高，射电望远镜阵列（如国际平方公里阵列SKA）的空间分辨率更高。

国际平方公里阵列（SKA）中频阵局部概念图

（图片来源：wikipedia）

具体到FAST望远镜与相同接收面积阵列，两者具体差别见下表。

FAST与相等接收面积望远镜阵列性能对比

（部分信息来源于参考文献[3][4][5][6][7][8][9][10][11]）

FAST的灵敏度比阿雷西博望远镜（305米）高2.5倍，比百米级望远镜高10倍以上。阵列虽能通过长基线实现超高分辨率（如 VLBI 网，它通过将多台望远镜分散在全球范围内，让它们同步聚焦于同一目标进行观测，随后对采集到的数据实施干涉合成处理，最终实现了等效口径与地球直径相当的超高分辨率观测能力），但阵列望远镜在处理信号时会损失一定灵敏度（参考文献[12]）。阵列能通过拉长基线“看清更小东西”，而FAST能“看到更暗弱目标”。

正如FAST首席科学家朱炜玮所言：“FAST的灵敏度比百米望远镜高一个数量级，这是阵列在探测暗弱点源方面难以企及的优势”（参考文献[13]）。

未来之路：单镜与阵列的融合进化

FAST并非完美——单口径分辨率不及综合孔径阵列。为此，2024年9月启动的“FAST核心阵工程”，计划在周边5公里内建设24台40米望远镜（参考文献[14]），形成“主镜+阵列”混合系统。

该混合系统主要有三重目标：一是保留核心优势。FAST主镜提供超高灵敏度，作为“信号收集心脏”；二是弥补分辨率短板。小望远镜与主镜形成超长基线，将角分辨率提升至毫角秒级（参考文献[15]）；三是实现能力倍增。同时实现“见微知著”（探测暗弱信号）与“明察秋毫”（高分辨率成像），成为兼备高灵敏度和高分辨率的终极利器。

FAST核心阵工程概念图

（图片来源：FAST运行和发展中心）

结语

FAST凭借相对较低的造价和维护成本，获得了超高的灵敏度，发现了大量脉冲星，取得了前所未有的科研成果——这种“以小博大”的战略价值，正是单口径巨型望远镜的独特意义所在。

在人类探索宇宙的征途上，FAST如同一位独坐深海的钓者。它的钢索是钓线，馈源支撑系统是钓竿，而反射面和馈源舱则是敏锐的浮漂。当阵列望远镜像穿针引线般盯住天空，追求看清结构的细节时，FAST始终以极致的灵敏度，静静地守候在宇宙的深海，专注地垂钓着那些最微弱、最遥远、最转瞬即逝的宇宙涟漪。因为那里，可能正隐藏着关于生命起源、暗物质与暗能量本质、极端物理规律乃至地外文明存在的终极答案。

这只“中国天眼”的“大”，正是它叩问宇宙最深奥秘的、不可替代的底气。

参考文献：

[1] 孔旭，姜鹏，王启明.FAST主动反射面索网结构参数变化对索力的影响分析[J].天文研究与技术，2015,12(2):159-165.

[2] 姚蕊, 李庆伟, 孙京海, 等. FAST望远镜馈源舱精度分析研究[J]. 天文研究与技术, 2015, 12(2): 166-172.

[3] Chen, X. Y., et al. (2023)."Dwarf Pulses from PSR B2111+46 Discovered by FAST: Implications for Pulsar Emission Models"The Astrophysical Journal Letters, 958(1), L12.

[4] Zhang, B. (2020). The physical mechanisms of fast radio bursts. Nature, 587 (7832), 45-53.

[5] Wootten, A., & Thompson, A. R. (2009)."The Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA)"Proceedings of the IEEE, 97(8), 1463-1477.

[6] Hales, A. S., et al. (2019)."Correcting ALMA 12-m Array Data for Missing Short Spacings Using the Green Bank Telescope"Bulletin of the American Astronomical Society, 51(1), 354.

[7] Han, J. L., et al. (2025).The Galactic Plane Pulsar Survey with FAST: 473 New Pulsars and Insights into Neutron Star Populations.The Astrophysical Journal, 986, 123.

[8] Drake, F. D., Zhang, H., & SETI@FAST Collaboration. (2024). SETI with FAST: Sensitivity Limits and Targeted Observations.Astrobiology, 24(3), 345-358.

[9] Nan, R.D., Li, D., Jin, C., & FAST Project Team. (2011). The Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) Project.International Journal of Modern Physics D, 20(06), 989-1024.

[10] Thompson, A. R., Moran, J. M., & Swenson, G. W. (2017).Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy (3rd ed.). Springer.

[11] Heywood, I., de Bruyn, A. G., Kramer, M., Staveley-Smith, L., & SKA Design Study Team. (2019). The Square Kilometre Array (SKA) Phase 1 design.Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 486(2), 2283–2306.

[12] Smits, R. et al. (2009). Pulsar searches and timing with the Square Kilometre Array. Astronomy & Astrophysics, 493 (3), 1161-1170.

[13] Zhu, W. W. (2021). Pulsar science with the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy, 64 (5), 259601.

[14] National Astronomical Observatories, Chinese Academy of Sciences (NAOC) Press Release. (2024). FAST Core Array (FEA) Project Kick-off.

[15] Jiang, P. (2024). Hybrid Aperture Concepts for Next-Generation Radio Telescopes: The FAST Enhanced Assembly. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (in press).

出品：科普中国

作者：手持双筒C11（贵州射电天文台）

监制：中国科普博览