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1、中国科学G辑物理学力学天文学2005,35(5):449~466449*500m球反射面射电望远镜FAST**南仁东(中国科学院国家天文台,北京100012)摘要500m口径球反射面射电望远镜FAST将是国际上最大、最灵敏的射电天文望远镜.利用贵州喀斯特洼坑作为台址,在洼坑内铺设500m球冠状反射面,通过主动控制形成抛物面以汇聚电磁波,采用轻型钢索拖动并联机器人实现望远镜的指向跟踪,其三项创新开创了建造巨型望远镜的新模式.FAST涵盖的天文学内容丰富,从宇宙初始混浊、星系演化、恒星乃至太阳、行星与邻近空间事件等的观测研究,都有非常强的竞争力,
2、其中脉冲星探测、中性氢和奇异暗弱天体成像等课题蕴藏着巨大的发现机遇.作为一个多学科研究平台,拟回答的问题不仅是天文的,也是面对人类与自然的;它将在日地环境研究、深空探测和国家安全等方面发挥重要作用;其建设将推动众多高科技领域的发展.旨在介绍FAST的科学意义和应用价值,评述关键技术的预研究现状,同时对未来项目发展提出建议.关键词射电天文射电望远镜主动反射面1993年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
3、一代巨型射电望远镜的1)工程概念研究.自1994年,通过不断探索,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(Five-hundred-meteraperturesphericaltelescope)的建议和工程方案.以国家天文台为核心,中国天文界及工程界精诚协作,对FAST关键技术,其中包括贵州台址、主动反射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精度的测量与控制、接收机等进行了可行性研究和模型实验.迄今,该2005-05-05收稿,2005-07-22收修改稿*中国科学院和科技部基金资助项目**E-mail:nrd
4、@bao.ac.cn1)南仁东等,1994,《大射电望远镜(LT)国际合作计划建议书》;1996,《国际大射电望远镜(LT)争建建议书》,中国科学院国家天文台SCIENCEINCHINASer.GPhysics,Mechanics&Astronomy450中国科学G辑物理学力学天文学第35卷工程方案的可行性已得到确认,处在国家大科学装置遴选立项过程中.1)1主要科学目标FAST拟回答的科学问题不仅是天文的,也是面对人类与自然的.除在本节中阐述的重要课题方向,它的科学产出也许我们今天还难以预测.1.1中性氢氢是宇宙间最简单、最丰富的元素,它与大
5、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.”其观测研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.星系的演化效应只有在红移为0.3或更大时才开始变得明显,大质量星系可能在z>2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,
6、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.暗纪是如何结束的？第一批恒星或星系是如何和何时形成的？美国宇航局WMAP天文卫星于2003年的微波观测新近发现,又将暗纪的终点(EoR)预言宇宙距离由z=8~10延伸至20左右,使这个问题的回答变得更具挑战性.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.1.2VLBI
7、网主受口径衍射限制的天文望远镜分辨率θ≈λ/D,即以波长记口径的倒数.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
8、1)南仁东等,2004,《500m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SCIENCEINCHINASer.GPhysics,Mechanic
