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“中国天眼”十岁了!这十年,它到底看见了什么?

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在贵州平塘的群山里,卧着一口“大锅”,它直径 500 米,由一圈圈钢梁箍住“锅沿”,稳稳地架在一个名叫大窝凼的喀斯特洼地底部。

2016年9月25日,这口“锅”正式落成启用。它就是500米口径球面射电望远镜(FAST),也就是大家常说的“中国天眼”。到今年9月,它已经整整工作十年了。

十年里,关于FAST的新闻一个接一个,成果也是一串又一串,今天就让我们来回顾一下FAST的历程吧。

选址大窝凼

自1994年起,FAST的选址工作就开始了。科学家们根据卫星遥感影像,海选出400多个天然洼地,又进一步筛选出30多个开展实地考察,最终敲定了贵州省黔南州平塘县的“大窝凼”。这是个圆形的天然喀斯特(溶岩地貌)“天坑”,正适合支撑起形如大锅的球面射电望远镜。大窝凼附近5千米内没有一个乡镇,县城远在25千米以外,再加上山体本身的屏蔽作用,营造出非常安静的无线电环境。



中国天眼拼装过程丨新华社记者 欧东衢 摄

此外,喀斯特地质条件形成了许多地下溶洞与暗河,积水能够及时排出,避免“天坑”变成“天湖”。尽管如此,为了双保险,在天坑里还是在坑底暗河基础上挖掘出了一条排水道。

大小很重要

FAST的全称是“500米口径球面射电望远镜”,是目前世界上最大的全口径均有反射面的射电望远镜,反射面面积约25万平方米。为什么FAST修建得如此巨大?这是由观测波长决定的。

望远镜的分辨率由观测信号的波长和望远镜的口径共同决定,在相同的分辨率下,波长和口径成正比。许多工作在可见光波段(0.5微米量级)的天文望远镜口径可达几米,与之对照FAST观测的是厘米量级的射电信号,所以500米口径还是造得太克制了呢!



2026年5月7日拍摄的位于贵州平塘县的中国天眼全景(无人机照片,维护保养期间拍摄)。

尽管 FAST 面积巨大,组成反射面的铝板却非常纤薄,厚度仅有 1.3 毫米左右。

天眼会“转眼珠”

FAST可不像厨房炒菜锅一样硬邦邦一整块,这颗“中国天眼”会“转眼珠”!它由4450块反射铝板拼接而成,通过背后的电机驱动,这些铝板能够调整位置和姿态,改变镜面形状。

经“中国天眼之父”、天文学家南仁东及其团队的计算,只需和球面偏离47厘米,就可以把口径300米的一部分球面改成抛物面,把射电信号聚焦到一枚药片大小,进入接收信号的“馈源舱”。

所以,在任意时刻,FAST的工作区域是一片口径300米的圆形抛物面,它能在500米口径里自如漂移,就像眼珠转来转去一样,保持完整300米工作口径的话,可观测的天空范围很广阔,从北纬52.2°看到南纬0.6°。

据南仁东估算,从地球角度全天可观测的脉冲星中,有一半都能被“中国天眼”看到。



南仁东(已故)登上建设中的“中国天眼” 丨来自中国科学院国家天文台

全天候观测

从茫茫太空来到地球的电磁波,在许多波段(如γ射线、X射线、大部分红外线)会被大气层屏蔽掉,无法从地面来观测,这也是许多望远镜被部署到太空中的原因。不过,大气在射电波段透明度极高,允许信号自由通过,所以FAST能够从地面发起观测。此外,FAST观测的信号波长远远大于云、雾、雨、雪、霰等颗粒的尺寸,所以能够轻松绕过这些障碍物,因此,FAST可以全天候开展观测活动。

最有可能干扰FAST运行的,是地面上人类活动产生的通信信号。在FAST附近使用手机,无异于拿着激光笔去晃最灵敏的眼睛。在FAST现场工作的科学家控制使用电器,参观人员必须关闭手机。FAST的监听中心设在两道山以外,获取的信号通过光纤传输到监听中心,再传送到外界,全程不用无线装置。

观测对象

FAST的首要任务是“中性氢巡天”。中性氢是宇宙中尚未聚拢成恒星发光发热的单个氢原子。中性氢的“基态超精细能级跃迁”能够产生波长21厘米的电磁辐射,观测这一“21cm氢线”,能够获知宇宙中物质的分布情况,推演星系之间互动的细节和宇宙发育的蛛丝马迹,并分析宇宙演化的未来图景。

脉冲星是FAST的另一个重要观测领域。脉冲星是高速旋转的中子星,是大质量恒星“死亡”后的一种演化形态。中子星高速旋转时,它的磁极发出的射电辐射会像灯塔一样扫射太空,从地球上看,每次被“灯塔”扫过,都对应着一次脉冲信号。

假如有地外文明在射电波段发布星际广播,FAST将是地球上最灵敏的侦听设备之一。然而,寻找地外文明仅是最末位的科学目标,FAST主要是为搜寻更多奇异天体,提供更多更好的观测统计样本,更可靠地检验现代物理学、天文学的理论和模型。

快速射电暴

快速射电暴(FRB)是宇宙中最强烈的射电闪光,在毫秒内释放的能量可抵得上太阳数天到一年的输出,却仍是天体物理最大谜团之一。它们可能来自磁星爆发、中子星并合或未知极端过程。FRB发现较晚(2007年),所以并非FAST设计初衷,但无与伦比的灵敏度让FAST成为解开这一谜题的关键设备。未来结合多信使观测,FAST有望进一步锁定宿主星系、厘清爆发机制,甚至连接引力波事件,为理解极端天体物理打开全新窗口。这正是“中国天眼”超越设计蓝图、持续创造惊喜的魅力所在。

观测模式

FAST有多种观测模式。比如,它可设置为“漂移扫描”模式,即固定工作区,盯着天顶某个角度一动不动。此时,它实际上是在跟随地球自转自西向东扫描这片天空。忽然,观测人员看到一连串射电闪烁,似乎是一颗没见过的脉冲星,值得追着看一看,便可切换到“跟踪”模式,就像行“注目礼”一样,把特定目标固定在视野中,对其进行详尽观测。

如果观测人员事先对某片天区怀有较高的期待,还可以有的放矢,让FAST进入“运动中扫描”模式,东西南北、往复来回地巡视指定天区。比如对脉冲星的优先搜索就集中在银河两岸各5°、后来扩展到各10° 的天区。

多方合作

FAST并非“孤军奋战”,它在多个波段与国内、国际上许多其他望远镜以及引力波探测器合作,共同探索宇宙的秘密。如果某天LIGO、LISA等引力波探测器检测到引力波事件,FAST即可指向引力波源所在的天区,开展后续观测,补上射电波段的信息拼图。同样,如果FAST新发现一颗脉冲星或黑洞喷流事件,世界上的其他望远镜也能在其他各波段从太空、地面发起联合观测,全面勾勒这些奇异天体的物理过程。

例如,2026年9月,国家天文台等国际团队利用FAST中性氢数据与国际暗能量光谱仪(DESI),对距今45亿年以来的宇宙中性氢演化进行高精度测量,发现恒星形成强度下降但中性氢密度未同步枯竭,揭示转化效率下降是主因,成果发表于《自然·天文》。

观测成果

截至2026年9月,FAST已累计发现脉冲星1284颗,远超同期全球其他望远镜总和。其中包括约170余颗毫秒脉冲星、160余个双星系统(含已知最短轨道周期者)。全球已知脉冲星已超过4000颗,FAST贡献约1/3。

在中性氢巡天方面,FAST于2026年9月发布第二期数据集,探测到156411个河外中性氢源,约为美国阿雷西博ALFALFA巡天十余年成果的5倍。巡天覆盖面积已达19500平方度,占全天面积的47.3%。近邻宇宙中性氢密度测量精度达0.6%(人类迄今最高),中性氢质量函数拓展至约100万太阳质量。数据已公开,构建起世界规模最大的中性氢星系样本库。

在快速射电暴方向,FAST已对重复暴开展长达数年的持续监测,首次捕捉到法拉第旋转量剧烈跳变又回落的完整演化,为磁层环境与双星起源模型提供了直接约束。

讲到这里,这台望远镜的来龙去脉算是说完了,但它的工作远没有结束。除了每月固定两天停机检修,“天眼”几乎全年无休;它收听到的信号,相当一部分已经通过国家天文台向全世界公开,任何人都可以申请使用。

策划制作

作者丨曲炯 科普作者

审核丨刘茜 北京天文馆研究员

策划丨丁崝

责编丨丁崝

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