“中国天眼”超高灵敏度是怎样“炼”成的？专家解读两大核心系统研制

　　中新网北京9月24日电 (记者 孙自法)作为当今世界最大和灵敏度最高的单口径射电望远镜，被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(英文缩写FAST)2026年9月迎来落成运行十周年，并以取得一系列具有国际影响力的科学成果，成为全球最重要的天文观测设备之一，备受瞩目。

资料图：“中国天眼”。中新网记者 孙自法 摄

　　“中国天眼”何以实现超高灵敏度的天文探测？其背后的两大核心系统——反射面单元、馈源舱发挥出重要作用。与该大科学装置性能息息相关的这两大系统，由中国电科旗下研发机构配套研制提供，相关专家近日对此进行解读。

　　反射面：表面精度达到毫米级

　　中国电科网络通信研究院介绍，反射面单元是决定“中国天眼”探测能力和精度的核心要素，反射面面板看起来像一口“超级大锅”。其口径为500米，拥有30个足球场大的接收面积，总面积达25万平方米，这样一个超级工程当时在世界上前所未有。

　　为了提高信号的接收广度，“中国天眼”反射面会变形，通过球面的凹凸变化和馈源舱的移动来调整接收角度，这就使信号的接收面积灵敏度达到当时世界上最先进射电望远镜的2.5倍，从理论上说它能接收到137亿光年以外的电磁信号。

　　中国电科网络通信研究院“中国天眼”反射面单元总师郑元鹏指出，整个望远镜的反射面面板非常特殊，是由一个又一个可变形的主动反射面单元构成，共有4450块三角形反射面单元，每个反射面单元又由100块边长1.1米左右的三角形反射面子单元拼装组成。望远镜的球面必须是优美弧度，是非常完整的一个曲面，这就要求拼装的精度非常高，表面面形精度达到毫米级。近400种反射面单元，6000多种反射面子单元，当时仅拼装，就花了近一年的时间。

　　此外，“中国天眼”反射面板的制造精度也是当时前所未有的水平，它有很多有规则的孔洞，都是直径5毫米，透孔率达到50%。这种设计是有讲究的，能极大满足多种需求。

　　一是可以探测70兆赫兹到3吉赫兹，也就是波长0.1米到4.2米的无线电波，对应的孔洞必须是要小于0.01米，这样才能有效探测到这一波段的信号；二是减轻自身重量，减轻钢索和圈梁的负荷，使索网承受的拉力大大减少；三是透光，能使面下的植物还能很好生长；四是透水，“中国天眼”所在地贵州的雨水特别大，避免出现山体滑坡；五是透风，对防御大风有很好的效果。

　　馈源舱：兼具科学性和工程性

　　另一大核心系统馈源舱，堪称“中国天眼”的巨大瞳孔，也是该大科学装置工程中技术含量最高、技术难度最大的部分。在观测某一天体的时候，“中国天眼”直径500米的大锅内瞬时形成300米口径的抛物面，馈源舱也要同时定位于抛物面的中心焦点，定位精度达到毫米级，从而实现对天体高精确度指向跟踪。

　　中国电科“中国天眼”馈源舱系统副总师付强表示，抛物面可以反射信号，但是却不能聚焦信号。馈源舱处于每个抛物面的焦点位置，其作用就是聚焦反射面收集到的信号，实现科学家高灵敏度的太空观测。反射面要根据观测的天体运动变形，抛物面的形状变了之后，焦点的位置就发生变化，馈源舱位置必须跟着动。

　　他说，根据“中国天眼”可变形的抛物面形状，馈源舱有一个移动范围，将在直径206米、距地140米至180米的空间范围内移动。

　　实际上，馈源舱是一个直径13米、高6米，重约30吨的庞然大物，由6根钢索悬挂支撑。大锅变形的时候，如何实现柔性悬挂下瞬间移动到焦点，并保证馈源舱里的接收机纹丝不动，这提出了极高的要求，“可以说，馈源舱是最能体现科学性和工程性双重属性的一个系统”。

资料图：“中国天眼”局部。中新网记者 孙自法 摄

　　付强透露，经过千锤百炼的试验，中国电科技术团队最终确定通过两级精密调整实现接收机静位在毫米级，从而实现舱移动如风、接收机岿然不动。

　　同时，由于馈源舱是一个集多种技术于一体的光机电一体化综合系统，因此不可避免地会有很多电磁信号的辐射。如果不能屏蔽这些信号，就会与收集到的宇宙信号混杂到一起，科学家将无法进行分离。这就要求馈源舱达到很高的屏蔽功能，经过技术团队不断攻坚，“中国天眼”实现了160分贝的指标要求。

　　此外，由中国电科16所承担研制的宽带制冷接收机安装于“中国天眼”馈源舱内，承担着接收和处理宇宙微弱射电信号的重要任务。依托“中国天眼”巨大的有效接收口径和高精度馈源定位系统，宽带制冷接收机通过低温制冷降低接收链路噪声，让射电望远镜能够“听见”更远、更弱的探测器信号，也能捕捉遥远天体发出的微弱射电辐射，大大提高微弱射电信号的探测和接收灵敏度。

　　中国电科16所表示，该接收机的宽带接收能力还有效拓展射电观测频率范围，可为观测研究脉冲星、快速射电暴等天体物理现象以及深化对天体物理过程的认识提供技术支撑，有助于拓展脉冲星搜寻、星际介质研究及其他射电天文观测方向。(完)