【fast天眼】它究竟是什么？它的构成有哪些？
“天眼”是中国巨型射电望远镜FAST（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）的昵称。
它本质上是一个
单口径射电望远镜，用来接收来自宇宙深处的微弱无线电波信号。
与光学望远镜不同，射电望远镜探测的是电磁波谱中的无线电波段。
FAST天眼的核心构成包括以下几个主要部分：
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巨大的主反射面（天线锅）：
这是FAST最引人注目的部分，一个直径达500米的巨大球面。
这个球面并非由一整块材料构成，而是由4450块独立可调节的三角形反射单元拼装而成。
这些单元通过下方的促动器（Actuators）进行精确控制，是实现FAST独特功能的关键。 -
馈源支撑系统：
一个复杂的系统，用于将接收宇宙信号的馈源舱（Feed Cabin）精确地悬挂在主反射面上方。
这个系统包括六座高约100米的支撑塔和连接其间的钢缆网。
馈源舱本身重达约30吨，它需要在空中沿着一个预定的轨迹移动，以跟随并接收来自特定天体反射的无线电波。 -
馈源舱（接收机）：
位于馈源支撑系统悬挂点上的一个密闭空间，内部装有各种用于接收不同频率无线电波的接收机。
这些接收机是将宇宙信号转换为电信号的设备，是FAST的“耳朵”。 -
测量与控制系统：
包括主反射面的促动器控制系统、馈源支撑系统的定位控制系统、以及用于监测和协调整个望远镜工作的各种传感器和计算机系统。
这是确保主反射面能够形成所需抛物面形状、馈源舱能精确跟踪目标的“大脑”。 -
数据接收与处理系统：
接收机收集到的原始数据量极其庞大，需要高性能的计算系统进行实时或近实时的处理、存储和分析。
这部分系统通常位于望远镜附近的控制中心或数据处理中心。
总的来说，FAST是一个集精密机械、电子学、计算机科学和天文学于一体的复杂巨系统。
【fast天眼】建造它的主要科学目标是什么？它解决了哪些问题？
建造FAST天眼的首要目标是突破当时射电望远镜在
灵敏度和
巡天速度上的限制，从而打开新的宇宙观测窗口。
它被设计用来解决或深入研究一系列关键的科学问题，例如：
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探测中性氢（HI）气体：
中性氢是宇宙中最丰富的元素，也是星系形成和演化的重要示踪剂。
FAST极高的灵敏度能够探测到更远、更暗弱星系中的中性氢信号，帮助科学家理解宇宙大尺度结构的形成、星系并合和演化过程。
它还能绘制更精细的银河系内外中性氢分布图。 -
搜寻和研究脉冲星：
脉冲星是高速自转的中子星，发出周期性的射电脉冲信号。
FAST是发现新脉冲星的强大工具，其高灵敏度能探测到银河系乃至河外星系中更远的脉冲星。
通过对脉冲星信号的精确计时，科学家可以研究极端物理条件（如中子星内部结构、强引力场），探测低频引力波（通过脉冲星计时阵列，如中国脉冲星计时阵列CPTA），以及检验广义相对论等。 -
探测星际分子：
星际分子是构成宇宙中恒星和行星形成区域的基础物质。
FAST可以探测到这些分子发出的特定频率的无线电波，从而研究分子云的物理和化学性质，了解恒星和行星的诞生环境。 -
快速射电暴（FRBs）的探测与定位：
快速射电暴是宇宙中短暂而强烈的射电信号。
FAST在探测FRB方面表现出色，已经发现了大量的FRB事件。
通过多望远镜联合观测或利用FAST本身的定位能力，有助于确定FRB的精确位置，从而追踪其可能的起源天体和物理机制。 -
搜寻地外文明（SETI）：
SETI旨在探测来自地外智能生命的潜在信号。
FAST的超高灵敏度使其成为SETI项目的理想工具，能够探测到比以往设备更微弱的潜在信号。
简单来说，FAST通过其无与伦比的灵敏度和接收面积，让科学家能够“听”到宇宙中更微弱的“声音”，从而发现未知天体、观测宇宙的更深处、以及以前无法探测到的物理现象，极大地拓展了人类对宇宙的认知边界。
【fast天眼】具体建在哪里？为什么选择这个地点？
FAST天眼位于中国贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县克度镇的
大窝凼洼地。
这是一个喀斯特地貌下自然形成的一个巨大的圆形凹陷。
选择大窝凼作为FAST的建造地点，是经过深入考察和科学评估后决定的，主要基于以下几个关键因素：
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天然的喀斯特洼地：
大窝凼是一个天然形成的、形状接近圆形的深坑。
利用这个天然洼地来承载直径500米的天线结构，可以极大地减少土方开挖量和工程难度，为建造如此巨大的望远镜提供了得天独厚的地理条件。
洼地的地形也为望远镜的支撑结构提供了天然的锚固点。 -
“天坑”效应形成的电磁波宁静区：
大窝凼被四周的群山环抱，形成了一个天然的屏障，能够有效遮挡和屏蔽来自外部世界的各种无线电干扰信号，例如手机信号、电视信号、雷达信号等等。
对于接收来自遥远宇宙极其微弱的射电信号的射电望远镜来说，一个“干净”的电磁环境至关重要。
这个天然形成的射电“宁静区”是FAST选址的关键因素。 -
地质结构稳定：
喀斯特地貌虽然有溶洞等地质特征，但大窝凼区域经过勘测，其整体地质结构被认为是稳定可靠的，能够支撑如此巨大的望远镜结构和其承受的巨大载荷。 -
人烟稀少：
洼地及其周边区域人口密度较低，这有助于维持望远镜所需的电磁波宁静环境，减少人为活动产生的干扰。
同时也需要为了望远镜的运行，在一定范围内（如核心区5公里，缓冲区10公里）实施严格的电磁管控和人口迁移措施。 -
交通便利性（相对）：
虽然位于山区，但相对于极端偏远地区，该地点仍具备一定的公路交通便利性，便于施工材料、设备和人员的运输。
正是这些独特的地理和环境优势，使得大窝凼从全国众多候选地点中脱颖而出，成为建造FAST天眼的理想之选。
【fast天眼】建造和运营花费了多少资金？
建造FAST天眼是一项巨大的国家科技工程，其投资规模相当可观。
根据公开报道和中国科学院国家天文台公布的数据，FAST项目的总投资（主要指建设阶段的投入）约为
12亿元人民币。
这笔资金主要用于望远镜的设计、制造、土建工程、设备购置、安装调试以及相关配套设施的建设。
需要注意的是，这个数字是建设阶段的投入。望远镜建成并投入使用后，还需要持续的运营和维护成本。
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运营成本：包括日常的电力消耗（特别是用于驱动促动器、馈源支撑系统和数据处理设备的电力）、人员工资（包括工程师、技术人员、科学家和后勤保障人员）、设备维护和更换、数据存储和计算资源费用、以及科学研究项目的运行费用等等。
运营一个如此复杂和大型的科学装置，每年的运营成本也是一笔不小的开销，具体金额会根据当年的运行状态和研究任务有所波动，通常需要持续的国家财政支持。 - 升级和改造费用：随着科学技术的发展和研究需求的演变，望远镜的设备和系统可能还需要进行定期的升级和改造，这也需要额外的资金投入。例如，更新更先进的接收机、改进控制系统、提升数据处理能力等。
因此，虽然12亿元是主要的建设投入，但望远镜的长期运行和科学产出还需要持续的资金保障。这是一个长期且投入巨大的科学探索项目。
【fast天眼】是如何工作的？它的技术原理是什么？
FAST天眼的工作原理基于射电望远镜收集和聚焦无线电波的基本原理，但其
主动变形反射面和
轻型馈源跟踪系统是其最核心、最具创新性的技术特点。
传统单口径望远镜与FAST的区别
传统的单口径射电望远镜通常是抛物面形的，通过整体转动来指向天空中的目标。
然而，建造一个直径500米的整体可转动抛物面望远镜在技术上几乎不可能，成本也极高。
FAST采用了不同的策略：
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它的主反射面是一个
固定的球面（直径500米）。 -
通过调整组成球面的
4450块三角形单元的位置，在球面上实时形成一个直径约300米的瞬时抛物面。
这个抛物面的焦点位置随着它指向的天空目标而改变。 -
馈源舱被精确地悬挂在空中，并
跟随这个移动的焦点进行运动。
只有到达焦点位置的无线电波才能被接收机捕捉到。
具体的工作过程
- 确定观测目标：科学家选择要观测的天体（如某个脉冲星、一块气体云）。
- 计算反射面形貌和馈源位置：根据选定的天体在天空中的位置（以及地球的自转），计算出主反射面上需要形成抛物面的区域、各块单元板应调整到的高度，以及馈源舱需要移动到的精确三维位置。
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调整主反射面：控制安装在每块单元板下方的促动器，将4450块板面的位置调整到计算所得的高度，从而在直径500米的球面中“挖”出一个约300米直径的瞬时抛物面反射面。
这个抛物面是“可变形”和“可移动”的，其指向天空中的一个特定方向。 -
移动馈源舱：通过连接六座支撑塔的钢缆系统，精确控制重达30吨的馈源舱的六个自由度（三维位置和三个转角），将其移动到当前形成的抛物面焦点位置上。
这个移动过程需要高精度和高稳定性，以确保馈源能准确接收到反射波。 - 接收信号：馈源舱内的接收机收集并放大来自宇宙天体的无线电波信号。
- 数据处理：接收到的信号转化为电信号后，经过数字化和预处理，然后传输到数据处理系统进行进一步的分析和存储。
由于地球的自转，被观测的天体在天空中是相对移动的。因此，上述步骤中的反射面形貌调整和馈源舱位置移动是
实时动态进行的，以确保望远镜能够持续跟踪目标，就像一个巨大的“眼球”在转动。
这种“球面+局部变形+馈源跟踪”的技术方案，有效地解决了建造超大口径全可动射电望远镜的技术难题，同时又实现了比固定球面望远镜（如阿雷西博）更大的天区覆盖范围和更高的灵敏度。这是FAST独创的核心技术之一。
【fast天眼】主要用于观测哪些天体和现象？它有什么独特的能力？
FAST天眼凭借其无与伦比的灵敏度（在厘米波和分米波段），主要用于观测和研究那些信号极其微弱、距离遥远或者需要高精度测量的天体和现象。
主要观测目标和现象：
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脉冲星：
这是FAST目前最主要的观测目标之一，也是其产出科研成果最多的领域。
FAST能够发现数量庞大的新脉冲星，包括毫秒脉冲星和双星系统脉冲星。
它还能对已知脉冲星进行超高精度的计时观测，用于研究引力波、检验引力理论等。 -
中性氢（HI）：
探测宇宙中的中性氢信号（波长21厘米，频率1420兆赫）。
用于绘制宇宙中星系和星系团的中性氢分布图，研究星系形成和演化、宇宙大尺度结构，以及暗物质的分布等。 -
星际分子：
探测星际空间中各种分子发射或吸收的谱线信号。
用于研究恒星形成区域、分子云、以及银河系和河外星系中的化学组成和物理条件。 -
快速射电暴（FRBs）：
探测持续时间仅几毫秒但能量巨大的神秘射电脉冲。
FAST是探测FRB的利器，其高探测率和灵敏度有助于科学家积累样本，研究FRB的起源、物理机制以及利用FRB作为宇宙学探针。 -
连续谱辐射源：
观测除谱线以外的连续射电辐射，如射电星系、类星体、超新星遗迹等。
用于研究这些天体的物理过程和演化。 -
地外文明信号搜寻（SETI）：
进行针对特定目标或大范围天区的扫描，搜寻可能的窄带人工信号。
FAST的独特能力：
- 极高的灵敏度：这是FAST最大的优势。其巨大的接收面积和高效的馈源系统使其能够探测到比大多数其他射电望远镜更微弱的信号，意味着可以观测到更远、更暗弱的天体，发现以前未知的现象。
- 宽带和多波束接收能力：FAST配置了多套宽带接收机，能够同时接收较大频率范围的信号。同时，多波束接收机技术允许它在一次扫描中观测天空中多个相邻的区域，极大地提高了巡天效率。
- 精准的脉冲星计时能力：其高灵敏度和对脉冲信号的精确捕捉能力，使其成为脉冲星计时领域的顶尖设备，为低频引力波探测等前沿研究提供了重要数据。
- 有效口径与指向范围的平衡：通过主动反射面技术，FAST在固定球面的基础上实现了约300米的有效口径，同时具备一定的指向能力（天顶角范围±20度），可以在一定范围内对天空目标进行跟踪观测，兼顾了超大口径带来的灵敏度和可观测天区范围。
总而言之，FAST独特的设计和超群的性能使其在低频射电天文领域具有革命性的意义，是人类探索宇宙、理解其构成和演化的重要利器。
【fast天眼】规模有多大？有哪些具体的尺寸指标？
FAST天眼是一个规模极其宏大的科学工程，其尺寸令人印象深刻。
核心尺寸指标：
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主反射面直径：
圆形主反射面的外接圆直径达到
500米。
这是衡量其物理尺寸的最直接指标。 -
反射面面积：
主反射面的总面积约为19.6万平方米，相当于
约30个标准足球场的面积总和。 -
单元面板数量：
组成主反射面的三角形铝合金面板共有
4450块。 -
有效照明口径：
通过主动变形，FAST可以形成一个瞬时抛物面，其
有效照明口径最大可达300米。
这意味着在观测某个特定目标时，大约直径300米范围内的反射面区域被利用来聚焦信号。 -
促动器数量：
用于调整4450块单元板位置的下拉索促动器共有
2225个（每两块板共用一个主要促动器，加上边界促动器等总数会更多，但核心控制数量级是这个）。 -
馈源舱重量：
悬挂在空中的馈源舱重量约
30吨。 -
支撑塔高度：
用于悬挂馈源舱的六座支撑塔高度约
100米。 -
钢索长度：
用于支撑和移动馈源舱的钢索系统总长达到数百米，它们承受着巨大的拉力。
周边控制区域：
为了保护望远镜的电磁波宁静环境，FAST周围设立了严格的无线电管制区域：
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核心区：以望远镜台址为圆心，半径
5公里范围内的区域，是主要的无线电宁静保护区，对电磁辐射有最严格的控制。 -
缓冲区：以望远镜台址为圆心，半径
10公里范围内的区域，也需要进行一定程度的电磁管控。
这些具体的尺寸和指标，直观地展现了FAST作为世界最大单口径射电望远镜的庞大规模和工程上的巨大挑战。
【fast天眼】是如何进行数据接收和处理的？
FAST天眼在接收到宇宙射电信号后，会产生海量的原始数据。这些数据需要经过一套复杂且高效的系统进行接收、传输、处理、分析和存储。
数据接收流程：
- 信号进入馈源舱：从主反射面汇聚而来的无线电波首先被馈源舱内的接收机捕捉。
- 下变频与放大：接收机将来自高频率的宇宙信号转换为较低频率的电信号，并进行放大，以便于后续处理。
- 数字化：模拟电信号被高速模数转换器（ADC）转换为数字信号。这是进行计算机处理的基础。
- 数据传输：数字化的原始数据通过高速光纤等介质从馈源舱或望远镜台址传输到控制中心或专门的数据处理机房。由于数据率极高，需要高带宽的传输能力。
数据处理过程：
FAST产生的数据率非常高，每秒可以达到几个G甚至几十个G的数据。因此，数据处理能力是发挥望远镜效能的关键瓶颈之一。数据处理通常包括：
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实时信号处理（DSP – Digital Signal Processing）：
这通常在靠近望远镜台址或控制中心的高性能计算设备上进行。
包括对原始数据进行滤波、去噪、消色散（由于电波在星际介质中传播速度随频率变化），以及进行傅里叶变换等操作，将时域信号转换为频域信号。
对于脉冲星搜索等任务，还需要进行大量的盲搜索计算，寻找周期性信号。 -
后端接收机和处理设备：
FAST配备了多种后端设备，用于处理不同类型的观测任务。
例如，用于脉冲星搜索和计时的脉冲星终端，用于中性氢和分子谱线观测的谱线终端，以及用于连续谱和FRB探测的宽带终端等。
这些终端设备执行特定的数据处理算法。 -
科学数据管道（Pipeline）：
建立自动化的数据处理流程，对接收到的数据进行初步处理、定标和打包，生成标准的科学数据产品。
这可以减少科学家处理原始数据的工作量，并确保数据质量。 -
数据存储：
处理后的原始数据和产生的科学数据产品都需要大规模的存储设施进行保存。
FAST的数据量每年以PB（Petabyte）为单位增长，对存储系统的容量、速度和可靠性提出了巨大挑战。 -
数据分析与挖掘：
天文学家利用各种软件工具和算法对处理后的科学数据进行深入分析。
这包括谱线拟合、源的识别和测量、脉冲星计时分析、图像合成等。
许多科学发现就来自于对这些数据的深入挖掘。 -
数据共享与开放：
FAST产生的数据在经过一段时间的独占期后，通常会向全球天文学界开放，供更广泛的研究使用，促进科学合作和成果产出。
整个数据处理体系是一个复杂的高性能计算和数据管理系统，是FAST运行和产出科学成果不可或缺的重要组成部分。