發布時間：2021-05-15所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 國家大科學裝置500m口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope,FAST)在2016年9月19日獲得初光(first-light).FAST從20世紀90年代中期概念提出,2011年3月開工,2019年征集風險共擔的開放項目,到2020年成功通過國家驗收、開展重大優
國家大科學裝置500m口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope,FAST)在2016年9月19日獲得“初光”(first-light).FAST從20世紀90年代中期概念提出,2011年3月開工,2019年征集風險共擔的開放項目,到2020年成功通過國家驗收、開展重大優先及開放項目的觀測,正式進入常規運行.這20多年的長征,FAST團隊一再面對高速發展的射電天文技術和科學前沿帶來的挑戰.本文簡單總結圍繞FAST初光和早期科學開展的一系列創新嘗試,特別是高性價比的調試用超寬帶接收機、自主研發的靈活變頻譜線終端CRANE(ChinaReconfigurableANalog-digitalbackEnd)、臨時集裝箱數據中心、跟進快速射電暴等.通過FAST早期科學的嘗試,我們提出并發展了世界首創的多科學目標同時觀測模式,并在此基礎上設計了CRAFTS(CommensalRadioAstronomyFASTSurvey)巡天,使FAST的巡天效率提高了數倍.CRAFTS催生了FAST首批成果,包括首批新脈沖星、首批新快速射電暴、首篇關于FAST新脈沖星系統測時的論文等.隨著射電天文技術的總體前沿向大型陣列發展,FAST需要發揮和發展其大口徑單天線的獨特優勢,特別是其升級換代的可行性及靈活性.人類的宇宙觀完全由天文發現和可觀測的物理參數空間所塑造.如南仁東先生所言,“FAST是中國射電天文學科從領先到超越的一次嘗試”.這一剛剛開始的嘗試有潛力改變人類的宇宙觀.
1FAST的前身——阿雷西博望遠鏡
Harwit[1]在其總結20世紀天文學發展的專著InSearchoftheTrueUniverse中指出,“天文學家常常忽視了整個天文學科對于國家戰略方向,特別是軍事技術滲透的依賴.”事實上,20世紀,尤其是第二次世界大戰以后,技術的跨領域應用推動了人類宇宙觀的重塑.1951年,哈佛大學(HarvardUniversity)Ewen和Purcell[2]利用自己搭建的簡陋而富有創意的系統,首次探測到宇宙物質的主要成分——原子氫的射電信號.受益于第二次世界大戰期間美國的巨大技術投入,Ewen博士個人的自由探索項目僅花費了500美元,建立了首次探測到宇宙原子氫的射電望遠鏡(圖1).Ewen的表象簡陋的望遠鏡,使用了原創的世界一流的電子學,例如首創的直到現在都很常用的頻率切換技術(frequencyswitch).銀河系內,特別是銀心方向,沒有干凈的中性氫參照點,頻率切換技術的創新對于銀河系中性氫的發現是決定性的.自Ewen的研究發表后,各大學開始設立射電天文博士學位點,多個國家開始進行大型射電望遠鏡建設,射電天文學科因此得以繁榮,直至今天.
1958年,康奈爾大學(CornellUniversity)工程師W.Gordon提出了建設大型射電天線、探測電離層等離子體雷達回波的方案(http://www.arecibo-observatory.org).Gordon的初步計算過大地估計了脈沖展寬,過低地估計了回波功率峰值,導致需要一個數百米的天線,成數量級地高于當時射電天文天線的均值.事實上,Gordon的計算很快得到了Bowles的糾正.Gordon在國際無線電科學會議(UnionRadio-ScientifiqueInternational,URSI)上正式提出阿雷西博(Arecibo)望遠鏡概念時,已經提出了可以利用小的多天線完成既定目標,但是資助單位更看重項目的前瞻性,忽略了小天線方案.國家的戰略需求和Gordon的“黃金”錯誤促成了一個特別適合探測暗弱信號的300m傳奇(阿雷西博的幾何口徑為300m,一次照明約210m.FAST的幾何口徑為500m,一次照明約300m.與靈敏度直接相關的有效天線面積比為2:1(FAST/Arecibo)).
阿雷西博(筆者稱作Arecibo1.0)初始的主反射面是網狀的.由早期圖片(圖2)可以清晰地透過鏡面看到臺址的道路和地貌.阿雷西博的科學突破由雷達探測開始,特別是首次測量了水星的自轉[3],并開創性地對太陽系行星進行了高精度雷達成像.20世紀60年代的四大天文發現,即類星體、宇宙微波背景輻射、脈沖星和星際分子的最主要示蹤劑一氧化碳,都與射電觀測相關.射電天文學進入了高速發展的黃金年代.
1973年,利用還在升級安裝反射面板過程中的阿雷西博望遠鏡(Arecibo2.0),Hulse和Taylor執行了美國自然科學基金資助的一個普通項目(資助額$33600),很快找到了第一例雙中子星[4].這一發現和隨后的計時監測驗證了引力波輻射的存在,并且在0.4%的精度上符合廣義相對論的四極矩預言,獲得了1993年的諾貝爾物理學獎.阿雷西博望遠鏡成為研究脈沖星以及其他瞬變源的獨特利器.1982年,Backer等人[5]利用觀測站雷達系統的高速采樣功能,首次發現了毫秒脈沖星.2015年,阿雷西博發現了第一例重復快速射電暴[6],使得對這一神秘未知現象的定位成為可能.
面板升級使得L-band的天線效率大幅提高,但是依然受限于線饋的窄帶寬.20世紀90年代中期,筆者進入康奈爾大學國家等離子層及天文中心(NationalAstronomyandIonosphereCenter,NAIC),適逢阿雷西博再次升級——安裝重達300t的格里高利饋源倉(Arecibo3.0).倉中裝備特殊設計的二級和三級鏡,實現了對來自球面主鏡電磁場的點聚焦.新的光路結合21世紀初開始裝備的焦平面多波束接收機陣,在宇宙氣體探測方面催生了突破,包括河外有機分子[7]、極冷中性氫[8]、最大的氣體星系樣本等.升級后的阿雷西博也實現了最高頻率接近10GHz的譜線觀測,產生了至今依然獨特的成果.
2FAST的提出和早期建設調試
20世紀90年代中期,南仁東博士和邱育海博士前往阿雷西博望遠鏡考察.他們與彭勃博士等國家天文臺同事向中國科學院提出了建設新一代大型單天線的建議,起初作為平方公里陣(SquareKilometreArray,SKA)的一個概念,后來成為一個獨立的項目,在“十一五”成為正式立項的國家重大科技基礎設施建設項目——500m口徑球面射電望遠鏡工程.FAST利用貴州天然喀斯特洼地作為望遠鏡臺址,利用主動反射面和精確可動饋源倉實現大天區面積、高精度的天文觀測.該工程由中國科學院和貴州省人民政府聯合共建,于2011年3月25日開工建設,2016年9月25日竣工,2020年1月12號通過國家驗收.FAST很早就被黔南人稱為“天眼”.時任國務院副總理劉延東在FAST竣工典禮上宣讀了習近平同志的賀信,正式命名FAST為“中國天眼”.FAST是具有中國自主知識產權、世界最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡.
與配備了格里高利饋源倉的阿雷西博(Arecibo3.0)相比,FAST的設計把超大天線實現點聚焦跟蹤的復雜挑戰從懸空的2級鏡和3級鏡轉到了主動反射面.這一概念的實現使得FAST的主焦光路異常簡潔.如圖3所示,30t重的饋源倉以及6根驅動索所占立體角極小.與Arecibo3.0相比,這樣干凈的主波束使得更為精確的測量成為可能,例如譜線的塞曼效應.
遵循國家大科學裝置建設的慣例,人民幣11.5億元的FAST建設經費中沒有對FAST數據存儲、處理、科學分析的任何支持.通俗地說,FAST工程款中用于購置科學數據存儲和數據分析的總額是0.基于國家大科學裝置做科學本來也不是FAST工程團隊的核心任務,也不易得到同行評價體系的認可.但是,在大眾認知中并不會區分調試期(臨時運行費)和運行期(正式運行費).習近平同志在其2016年竣工賀信中的“早出成果、多出成果、出好成果、出大成果”既是期許,也成為緊迫的要求.
2012年,加州理工學院(CaliforniaInstituteofTechnology)Weinreb團隊開發的四脊超寬帶接收機系統基本成熟.經與南仁東博士討論,我們提出在原定工程規劃之外引進一個相對粗略的超寬帶系統[9],爭取以高性價比率先滿足調試期間的需求.接收機系統由金乘進等負責具體合作、饋源制備和部分的電子學系統.這套常溫系統達成了6:1的高低頻比,覆蓋了270~1620MHz這一關鍵頻段.配合超寬帶接收機,分別開發了基于ROACH2的脈沖星終端和擁有多項自主知識產權的CRANE[10]譜線終端.CRANE比一般傳統的數字后端增加了模擬電路部分,實現了靈活的通用性.CRANE的硬件包括用來調整中間頻率和信號強度的模擬信號前端路板、FAST3212采樣板、FDB(fastdigitalbackend)板(基于FPGA(filedprogrammablegatearray)的信號處理)、高性能計算機(基于GPU(graphicprocessingunit)的信號處理).
2015年,FAST與中科曙光公司達成協議,采用先供貨后付款的賒賬方式建設了現場的基本數據處理能力.由于綜合樓還在施工,采用了集裝箱計算中心方案(圖4).貴州降水量大,現場的山區天氣是局域現象,晴雨轉換快.集裝箱配置了工業空調,達成內部計算機房的環境要求,箱體則實現基本的電磁屏蔽.早期的測試中,信號極不穩定,部分歸因于工業空調啟動所增加的負載,使得接收機放大器的電流強度變化過大.在限制空調啟動條件后,問題得到緩解.
這套FAST任務書以外的系統沒有內置的噪聲注入,兩路偏振信號無法準確定標.系統溫度約70K,遠高于后來正式制冷的FAST19波束接收機.雖然粗糙,但超寬帶和集裝箱計算中心的及時進場保證了初期調試的開展,完成了FAST早期科學的首批發現(例如新脈沖星[11]、中性氫吸收線[12]等),催生了FAST第一批科學論文.
3FAST早期科學
Nan等人[13]總結的五大科學目標,貫穿了FAST立項建議書、任務書和早期科學準備:(1)巡視宇宙中性氫,研究宇宙大尺度物理學,探索宇宙起源和演化;(2)觀測脈沖星,研究極端狀態下的物質結構與物理規律;(3)主導國際低頻甚長基線干涉測量網,獲得天體超精細結構;(4)探測星際分子,研究恒星、行星和生命起源;(5)搜索可能的星際通信信號.FAST科學團隊在國家“973”計劃項目“射電波段的前沿天體物理課題及FAST早期科學研究”和國家重點研發計劃項目“基于FAST漂移掃描巡天的脈沖星、中性氫星系和銀河系結構研究”的支持下,聯合國內主要的天文研究機構,進行了系統的預先研究和科學準備(圖5).其中,國家“973”計劃項目以科學準備為主,項目執行期間資助學生80名、博士后14人,通過公開競爭獲得世界幾乎所有主流開放射電望遠鏡的時間,包括Arecibo,ALMA,JVLA,Parkes,JCMT,IRAM,GBT,Effelsberg等,催生了國內第一篇有第一版權的ALMA論文.這些努力幫助培養了射電數據處理方面的人才,其中很多人目前活躍在FAST相關領域.
2017年7月,FAST調試取得重要進展,實現了較為穩定、準確的主動反射面變形和系統指向.在隨后的漂移掃描過程中,開始探測到可能的新脈沖星.FAST確定指向的參數遠多于傳統的天線,由總控和饋源支撐系統記錄的數據綜合生成.控制系統和接收機終端系統有各自的時間標簽.FAST科學數據文件的文件頭沒有明確的指向信息.彼時,電磁環境,尤其是現場自身產生的干擾一直在變化中,脈沖星的認證存在挑戰.2017年8月,在與澳大利亞Parkes的觀測對比中,我們意識到漂移掃描的持續時間較長,在J2000的歷元下赤緯有顯著的變化,隨即調整了觀測設置.2017年9月11日,F.Camilo博士捐獻了其Parkes觀測計劃中的部分時間,幫助認證FAST脈沖星候選體.當天,Parkes電磁干擾嚴重,但是經過反復修正,依然能夠清晰地重復FAST的結果,確認了FAST發現的第一顆新脈沖星PSRJ1859-01[11](圖6).
隨著望遠鏡設計性能的達成,FAST科學團隊先后組織了55個早期科學項目,歸檔于“FAST早期科學計劃書”,在配合調試的前提下進行了廣泛的嘗試.成立FAST科學委員會以后,FAST早期科學計劃書歸并為8大類,即(1)脈沖星科學:針對較亮脈沖星開展跟蹤觀測,研究單脈沖、偏振、星際閃爍等脈沖星輻射機制、中子星物理及星際介質相關科學;(2)脈沖星測時:開展高精度脈沖星到達時間測量,并著重密近、掩食雙星等特殊系統;(3)脈沖星搜尋;(4)河內中性氫:大天區成圖及對于中性氫窄線自吸收的塞曼效應、與γ射線超新星遺跡成協的HI高速云等目標的深度研究;(5)河內分子譜線觀測;(6)河外中性氫定點觀測;(7)射電復合線及河外吸收線搜尋;(8)其他探索性觀測,特別是臨近恒星射電暴發及系外行星.這些嘗試后來大部分轉化成公開項目申請或者融入科學委員會批準的優先重大項目內容,并開始系統產生科學論文,例如文獻[14].
4單天線和綜合孔徑陣
隨著ALMA的全面成功和平方公里陣的規劃與建設,射電天文的主要技術前沿無疑在大型、新型的綜合孔徑陣列望遠鏡.阿雷西博望遠鏡從提出到建成出光僅5年,其間還經過了設計方案的重大調整,利用僅980萬美元的總預算,在1963年底實現了世界射電天線靈敏度的數量級飛躍.這種建設速度是前無古人,至今沒有來者的.一方面,阿雷西博是少數科學家獨立探索的項目,由Gordon博士以及康奈爾大學的5名工程師和管理人員(https://ecommons.cornell.edu/handle/1813/33229),在波多黎各領導了整個工程的實施,避免了大型工程常見的多方委員會的反復討論和爭端.另一方面,阿雷西博也是大國競爭的產物,由于符合冷戰的戰略而迅速得到國家支持.FAST從提出到進入運行經歷了二十幾年,是當前世界大科學工程的常態,必須不斷面對高速發展的技術和科學前沿的挑戰.
相關期刊推薦：《科學通報》(旬刊),創刊于1950年，報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性和和高水平的、具有重要意義的最新研究成果，其中主要欄目有：評述、論文、快訊、動態等。
綜合孔徑陣列在天文觀測性能上擁有對于單天線的全面優勢,包括分辨率、穩定性、干擾排除、靈活性等,其概念的實現也因此獲得1974年諾貝爾物理學獎.那么,FAST的核心優勢在哪里呢?根據輻射計公式估算,具有一定噪聲溫度(Tsys)的射電望遠鏡探測一定強度的射電源所需觀測時間(t)與有效接收面積(Ae)關系如下:
5FAST新前沿
經過公開征集和遴選,FAST科學委員會批準了5項優先重大項目:(1)FAST漂移掃描多科學目標同時巡天;(2)快速射電暴搜尋和多波段觀測;(3)銀道面脈沖星巡天;(4)M31中性氫成像與脈沖星搜尋;(5)脈沖星測時,中國脈沖星測時陣列及脈沖星物理和演化.2020年,在FAST科學委員會制定的政策指導下,FAST時間分配委員會結合國際、獨立、多方的通訊評審和會評,從169項公開征集的觀測提案中遴選了近100項開放項目,正在FAST系統開展觀測.FAST的優先重大項目和開放項目覆蓋了FAST的五大主要科學目標,也涉及多個新興前沿[17].2020年,FAST進行了第一次開放項目征集,共征集到169項有效申請.時間的申請競爭比例接近5,跟ALMA一個水平.2021年,FAST將逐步開始國際開放,預期競爭會進一步加劇.
在分米波段,世界上大型的單天線望遠鏡都進行過脈沖星和中性氫巡天.這些巡天奠定了人類對于銀河系動力學結構、星際介質狀態、氣體星系、中子星樣本的基本認識.在FAST以前,從來沒有實現過脈沖星和中性氫的同時巡天,主要的技術挑戰是兩大類科學對于定標和觀測模式的矛盾要求.我們在2015年提出高時頻噪聲注入概念,于2018年實現了多科學目標同時觀測模式的驗證.基于這項世界首創的技術,我們設計了FAST漂移掃描多科學目標同時巡天(CommensalRadioAstronomyFASTSurvey,CRAFTS)[16].CRAFTS將19波束接收機旋轉并保持到特定的角度,固定FAST的面形和指向,保持FAST100%的增益,利用地球的自轉掃過天空,并同時記錄河內中性氫、河外中性氫、脈沖星及暫現源數據流.經過掃描帶拼接之后,CRAFTS實現了對所覆蓋天區的超奈奎斯特采樣.河內、河外中性氫的通道數和帶寬覆蓋不同,是分立的數據流.由于中性氫和脈沖星巡天都需要大天區覆蓋,耗時較多.CRAFTS同時巡天的效率是傳統模式的3倍以上.
阿雷西博把人類對于中性氫星系的探測數量從千的數量級提高到萬.與阿雷西博相比,FAST最終的氣體星系探測數量將會再提高一個數量級.阿雷西博河內中性氫成像巡天的角分辨率比上一代Leiden/Argentine/Bonn(LAB)巡天的36角分提高了一個數量級,但是沒有絕對流量定標.相對于阿雷西博,FAST在角分辨率上略有進步,而光路遠為干凈,雜散光和駐波的影響有明顯改善,成像質量明顯提高.阿雷西博在脈沖星方面有數個革命性的發現,但是搜索巡天的效果遠遠低于預期,比Parkes差了接近一個數量級.這反映出脈沖星搜索的效果不完全由靈敏度決定.FAST發現脈沖星的數量將遠遠超過阿雷西博,是否能夠與Parkes和一系列新設備一較短長值得拭目以待.
快速射電暴(fastradioburst,FRB)在2007年首次發現,直到2013年才得到認證,成為射電天文的熱門新領域.2017年1月,快速射電暴FRB121102被首次定位并確定其宿主星系為約紅移0.2的矮星系[18].這一成果揭示了快速射電暴的宇宙學起源,被美國天文學會稱作“自LIGO引力波探測以來,天文學最重大的發現”.作為新興天文領域的FRB發展與伽馬射線暴(gammarayburst,GRB)領域類似,都在初期經歷了理論模型多于觀測事例的階段,反映了觀測限制的缺乏.通過搜索WebofScience關鍵詞可以發現,至今為止FRB領域科學產出的增長速度在時間上為GRB領域早期的2倍,總量約為其2.5倍,目前的發展是指數增長(圖7).如果根據GRB的發展進程簡單外推,則FRB將在2028年左右進入線性增長的平臺期,對應于GRB領域的~2006年.平臺期的產生是由于當前技術允許的可獲取觀測參數被完整覆蓋以及遇到基本物理原理方面的挑戰.——論文作者：李菂1,2*,王培1,張永坤1,2
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