天眼的构造和原理（世界只剩一只天眼）

一夜之间，曾在人类天文探索史上留下过浓墨重彩一笔，被誉为地球“两大眼睛”之一的波多黎各阿雷西博（Arecibo）射电望远镜塌了。

望远镜所有方美国国家科学基金会（NSF）当地时间12月1日确认，继今年两次严重电缆事故后，望远镜悬挂的接收设备平台当天坠落并砸毁了望远镜反射盘（天线）表面，目前无人伤亡，但望远镜很可能已不能再使用。

仪器接收平台坍塌后的阿雷西博望远镜。社交媒体图

这一消息震惊全网。网友们纷纷表示惋惜。

一位阿雷西博天文台的工作人员人此前表示，阿雷西博射电望远镜若失去功能，那么全世界在天文探索领域，将只能依靠来自中国贵州的另一只“大眼睛”了。

说起贵州的“大眼睛”，大家大概都听说过。

FAST望远镜，拥有中国自主知识产权，因球面射电望远镜本身像一颗凝望苍穹的巨大眼睛而被称为“天眼”。

它位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县的喀斯特洼坑中，镶嵌于苍翠的贵州深山老林，承载着最前沿的科学和技术。

FAST目前是世界上最大的单镜面射电望远镜，而在此之前的世界纪录保持者正是阿雷西博（Arecibo）射电望远镜。

中国“天眼”。FAST 官方图

01

“听”宇宙深处的声音

从1994年，我国已故天文学家南仁东提出构想，到2016年9月25日落成启用，进入调试期，FAST的建成，历时22年。

1993年9月，国际无线电科学联盟第二十四届大会在日本东京召开，与会天文学家提出要在地球射电环境进一步恶化之前，尽快建设新一代的大射电望远镜（Large Telescope， 简称LT）。“天眼”之父南仁东先生并没有参加此次会议，但是他了解到详情之后，对这个项目产生了极大的兴趣，希望这个大望远镜能花落中国。

这也许就是建设FAST的最初动力。这个LT项目后来改名叫平方公里阵（Square Kilometer Array，简称SKA），也就是总接收面积可达1平方公里的望远镜阵列。随着南仁东等人的积极推动，设计建在贵州喀斯特地形中的一批200米到300米的射电望远镜成为了SKA的候选计划之一。

贵州的喀斯特地形不光形状合适，地下排水容易，不会因暴雨积水，而且远离大城市的信号干扰，是建造这种大型射电望远镜的绝佳台址。

但2006年9月，SKA计划推进工作委员会排除了中国和南美的计划。现在的SKA计划选择同时建在澳大利亚和南非，并采取成百上千面小型射电望远镜阵列的形式。

虽然未能入选SKA，南仁东的大型射电望远镜设计理念却得到了很多顶级科学家的支持。2007年7月，中国发改委正式立项，使其成为中国自己主导设计和建设的大型望远镜项目。

2011年3月25日，FAST工程正式在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇大窝凼动工。五年后，2016年9月25日，FAST落成启用。经过三年半的调试期，2020年1月11日，FAST通过国家验收，正式进入运行阶段。

天眼 （代传富摄）

起初，FAST最引人注目的，是它的“大”。也许从照片上并不容易感知它的大小，但实际上，如果走到它的圈梁上，走完一圈需要半个多小时，而从这口“大锅”的锅沿走到锅底，则要一两个小时的时间。

而随着性能的提升，FAST科学潜力逐步显现。自今年1月验收以来，中国天眼设施运行稳定可靠，近一年观测服务已超过5200个机时，达到预期设计目标近2倍。

截至目前，FAST累计发现脉冲星数量超过240颗，基于FAST数据发表的高水平论文达到40余篇。FAST在快速射电暴方面的研究成果5日凌晨发表在国际科学期刊《自然》杂志上。

多年前，中国乃至世界天文爱好者就一直在讨论天眼，有人说这是刘慈欣《三体》中的“红岸基地”现实版，也网传物理学家霍金在世之时曾担忧天眼的建造会将人类和地球曝光于宇宙未知生命的威胁之下。

电影《三体》红岸基地版概念海报横版

这些传言是有些过分放大的曲解了。

据FAST总工艺师王启明介绍，天眼更多的，是作为探索宇宙脉冲星信号而搭建。天眼有着异常灵敏的接受宇宙脉冲信号的功能，但并不会向宇宙发送关于地球的任何讯息，或者说，天眼就算接收到了某些信息，也不会与外界发生“对话”。

天眼的作用，理解成为建设宇宙航行的“灯塔”似乎最为合适。它通过巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星，为研究宇宙物理学、探索宇宙起源提供科学根据，同时又通过研究宇宙物质结构和物理规律，为未来的宇宙探索提供坐标、指明方向。

天眼能“听”多远？王启明说，理论上FAST能接收到137亿光年外的电磁信号，这个距离接近于宇宙的边缘。

如今，随着阿雷西博退出历史舞台，人类探索深空的重担就落到中国望远镜的肩上。

02

“FAST”对冰雹很畏惧

也许你想不到，身形庞大的FAST，却畏惧小小的冰雹。

据FAST工程办公室主任张蜀新介绍，FAST的镜面反射面由4000多块小反射面组成，每一块反射面设计相当精巧，但小反射面的承重能力有限，一旦镜面受损，科研和经济两方面都将造成巨大的损失。

而FAST所在的位置，恰好位于黔南地区的冰雹带上，冰雹从FAST台址的西部、西北部、北部和东北部均有入侵的可能。

“防雹，炮站设施建设这个‘硬件’不能少。”贵州省人影办主任李勇介绍。

2016年11月，贵州省发改委正式立项建设克度航龙、塘边塘泥、克度光明三个FAST冰雹防御作业炮站，2017年10月投入使用。

2019年5月，省气象局完成罗甸边阳镇木姜寨、长顺县鼓扬镇、惠水县雅水镇、惠水县羡塘镇、惠水县摆金镇、惠水县断杉镇6个拟新增固定作业炮站的项目建设可研报告。第一期惠水县雅水、长顺鼓扬、罗甸边阳镇木姜寨三个炮站2020年3月建成投入使用。

今年汛期，中国天眼航龙炮站民兵正在做人工影响天气作业训练。（张伦雨 摄）

“FAST是国之重器，加强内部和外部联动建立共同防御机制势在必行。”在贵州省气象局分管副局长刘曙光的主导下，一系列措施出台。

2019年9月，由FAST环境安全保障领导小组办公室正式下发《500米口径球面射电望远镜（FAST）冰雹灾害防御工作方案》，建立冰雹上下游联防机制，由省级人工影响天气部门主导，在全省范围推进冰雹源地和冰雹路径上游区域加大防雹作业用弹量；成立技术小组，建立定期研究部署FAST冰雹联防工作机制和预警应急机制。

2019年4月30日，省气象局与民航贵州空管分局签订《2019年贵州省人影作业保障协议》；

同年5月21日，空参航管局组织召开贵州省人影空域保障协调会，次日，空参航管局、南宁基地和省人影办赴FAST台址座谈；

12月25日，在北京召开FAST冰雹联防专家咨询会，来自北京大学、中国科学院大气物理研究所、中国气象局人工影响天气中心等单位的13名专家参会，为FAST冰雹联防献言献策；

今年3月1日，与民航贵州空管分局签《2020年贵州省人影作业保障协议》。

平塘县气象局在克度镇开展移动火箭作业。

沟通、交流、联动机制的建立、不断完善，防雹成效明显提升。

2020年3月23日，贵州省出现了大范围强对流天气，23县（市、区）域内出现冰雹，联防区上游的贵阳市、安顺市、黔西南州、黔南州14县域34乡镇降雹，最大冰雹直径为长顺代化镇的40毫米。省人影办及时指导FAST联防区开展上下游联防作业，72个作业点作业125次，有效抑制了对流云的发展，FAST台址无降雹。

然而，人工影响天气仍然是一门科学试验和业务并行的科学领域，当前世界最先进的人工影响天气技术也还不能做到100%消减冰雹。

为更完善做好天眼的冰雹灾害防御工作，2021年度贵州省科技支撑计划项目申报指南将FAST冰雹防控技术纳入其中，这也是贵州省气象部门首次列入项目申报指南。

同时，省科技厅拟将FAST区域冰雹形成机理及其防控技术研究，列入“十四五”科技创新规划。下一步将陆续开展FAST区域冰雹防控技术研究，尤其需要在雹源的形成、冰雹移动路径、冰雹潜势预报、冰雹云预警识别技术、人工防雹作业机制等方面开展研究。

守护天眼

守护国之重器

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来源： 中国气象局

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