本文来自微信公众号： 腾讯太空 ，作者：刘菲，原文标题：《科学重器 | 直径达500米，我国“天眼”望远镜有哪些独门绝技？》
“中国天眼”FAST（500米口径球面射电望远镜）坐落在贵州黔南的喀斯特洼地中，如银盘静卧，是世界上最大单口径、最高灵敏的射电望远镜。由于“天眼”工作的波长是在厘米到米的无线电（即射电），恰好也是现代通信（如手机信号、电视广播、雷达、卫星通信等）广泛使用的频段。为了尽量避免外界人为环境的主要影响，找一处安静、干净的地方是必要的，科学家就把目光投向了拥有丰富喀斯特地貌的贵州。 因此，参观我们“天眼”的时候，记得把手机关闭哦。
为了让你体会到FAST望远镜的巨大， 来做一个思想实验。假设用FAST这口“大锅”盛米饭，全球每人能分一大碗！
FAST项目于2007年正式立项，从2011年3月动工，历时5年多到2016年9月竣工，成功开展首次试观测。掌握独特的主动变形反射面技术和精准定位的馈源舱控制系统，2020年1月，FAST顺利通过国家验收，正式向全球科学界开放。
高灵敏度聆听宇宙深处天体的轻语
我们天文领域用“灵敏度”来表征一个望远镜能探测到的最微弱信号强度。灵敏度越高，就能看到越暗、越远的天体。对于单口径射电望远镜，FAST的灵敏度是世界第一，比排名世界第二的美国阿雷西博望远镜高2倍多。
打个比方，在一个足球场上栖息着亿亿亿只小蚂蚁，密密麻麻，“蚁”声鼎沸。小蚂蚁A有着“顺风耳”一般的听力，穿过喧闹和嘈杂，能够听到远处两只小蚂蚁（B和C）在低声哼哼，这是其他蚂蚁很难听到的。
浩瀚无垠的宇宙中，有一个小小地球，地球上的FAST就是在杂音中识别来自宇宙深处的微弱信号。FAST的高灵敏度帮助人们在双星系统中发现一例罕见的掩食脉冲星（命名为PSR J1928+1815），并证实这颗本质上是中子星的脉冲星，在与其伴星（一颗氦星）以3.6小时的周期相互绕转，为共有包层演化这种脉冲双星特殊演化机制首次提供了观测证据。
截至2024年11月，FAST发现的脉冲星数量已超过1000颗。这其中包含许多毫秒脉冲星（旋转周期极快、极其稳定的脉冲星）和处于双星系统中的脉冲星，这些特殊类型的脉冲星对于检验引力理论、构建宇宙“时钟”网络等研究具有极高价值。
快速射电暴（FRB）是已知宇宙中最明亮的射电爆发，其天体起源和能量机制尚无定论。前几年，有自媒体甚至宣称FRB是高等外星人向地球发射的信号，还在网上引起讨论。 但从另一个角度看，这也是向公众科普FRB的好机会。鉴于人类对FRB还有很多尚未解开的谜团，科学家们将精确测量以FRB为代表的极端宇宙天体的射电辐射作为开端，逐步探索其起源奥秘。
借以低系统温噪声的控制方式，拥有极高探测灵敏度， FAST团队获取了1652个FRB爆发信号，超过此前领域内发表的总和， 成为当时世界最大的快速射电暴信号样本，首次揭示FRB爆发率的特征能量和完整能谱。根据FRB能量分布的双峰结构，排除了单一磁性起源等多种模型，探索FRB的基础物理机制。
以高频率分辨率洞察信号细纹
初中物理中，我们学过声音的三种描述方式——音量音调音色。由于FAST只能“被动”聆听信号，所以耳朵的高灵敏度相当于能听到的最低音量有多低，“频率分辨率”可以对应于音调，表征射电望远镜能区分不同频率的信号的细致程度。FAST观测中性氢21cm谱线的频率分辨率可达0.5kHz，对应的速度分辨率约0.1km/s。
接续上述小故事，小蚂蚁A非常好奇B和C窃窃私语啥呢？它聚精会神、定耳细听。哦！它俩在商量高低八度的声部分配，讨论do re mi fa so la si呀。
在射电天文领域，偏振测量是精细刻画天体的重要步骤。星际磁场产生的电磁波的偏振特征和变化非常微弱，以至于直接探测极为稀缺。科学家基于原创的中性氢窄线自吸收（HINSA）方法，充分发挥FAST的灵敏度和光路简洁优势测量了HINSA塞曼效应，得以首次以原子手段测量到分子云的星际磁场强度，结果迥异于经典理论预期，要求必须存在比经典的“双极耗散”更为有效的磁场耗散机制，为解决恒星形成经典“磁通量”难题奠定了基础。这一结果被国际同行称作对理解恒星形成具有“革命性”的影响。
FAST眺望银河系家园之外，在致密星系群“斯蒂芬五重星系”及其周边天区发现一条绵延约200万光年的巨大原子气体结构，尺度相当于银河系的20倍，刷新迄今宇宙最大原子气体结构的纪录，并揭示了暗物质在星系群尺度的主导作用。
以高时间分辨率捕捉瞬息之光
“时间分辨率”被用于描述射电望远镜能区分无线电信号随时间变化的最小间隔。时间分辨率越高，就越能捕捉到宇宙中转瞬即逝的事件，如毫秒级的脉冲星闪烁或更短暂的快速射电暴（FRB）。
FAST正如她的名字——“中国天眼”，用超高速摄像机拍摄宇宙，使我们得以窥见那些稍纵即逝的天体信号细节。FAST在观测脉冲星时的时间分辨率，又称为采样率，可达100微秒，相当于一秒钟快门按一万次，一秒钟拍一万张照片。
科学家们利用FAST首次在该类星体射电波段检测到超高频率漂移率的超快射电爆发。这项研究揭示，在这些射电爆发的源区极可能存在局域强磁场，而非典型的全局偶极磁场结构。该结果为活跃M矮星的磁场结构、电子加速与射电发射机制提供了第一手观测证据，也有助于探讨类恒星磁双极－爆发耦合模型。科学家们利用FAST对银河系微类星体GRS 1915+105开展高时间分辨率的射电观测，首次在射电波段从银河系黑洞系统检测到准周期震荡。这一发现揭示了黑洞吸积与喷流之间存在更复杂、更紧密的耦合机制，为理解喷流形成机制及黑洞系统的能量释放过程提供了重要观测证据。
以多波束大视场拓展眸观万象
我们天文观测的对象主要分为两类。一种是点源，看起来就是一个小亮点。另一种是展源，源之大，一镜装不下，这时就需要增加相机数量，来扩宽拍摄视场。FAST的19波束接收机就像19只相互独立的眼睛，可以在同一时刻同时观测天空中19个相邻方向，相当于让FAST一次就能“扫”到比单波束多19倍的天空区域。
为突破传统射电望远镜无法同时兼顾FRB、中性氢、脉冲星的瓶颈，科学家们提出“高时频电子噪声注入”，从通用的1 Hz提高到5000-10000 Hz，独创FAST多科学目标同时巡天（CRAFTS）观测模式，充分发挥FAST 19波束接收机的性能优势，在1.05-1.45GHz的频率范围实现同步多科学目标观测，辅助实现高效率扫描与高灵敏度探测。科学家们发现了世界首例持续活跃的快速射电暴FRB 20190520B，其环境电子密度远超其他源，拓宽了对FRB起源和环境的理解。
“聪明”的FAST，耳聪目明，具备高灵敏度、高频率分辨率、高时间分辨率、多波束大视场的观测能力，不仅能听得见、听得细，还能看得快、看得广。
面向未来，FAST在时间域天文学、星系演化与极端物理环境研究中将继续发挥引领作用，实现更大规模、更高效率的巡天观测，精细刻画射频宇宙。
FAST积极开展的国际合作，有利于构建全球时间域监测网络，强化与SKA等大型设施的互补协作，为深入认识宇宙结构与演化提供关键原始数据。
21世纪以来，科学研究范式正从“小作坊”模式迈向“大科学”工程。在此浪潮中，中国一批科研重器蓬勃涌现：“中国天眼”聆听深空电磁波，“阿里计划”致力捕捉原初引力波，“高海拔宇宙线观测站”探测超高能粒子，“人造太阳”攻关聚变能源，“高能同步辐射光源”解析微观结构等等。这些大科学装置合力拓展人类认知边界。腾讯新闻推出《20问中国20大科学重器》大型特别策划，邀请20位科学家，给出从宇宙起源到未来能源的权威解读。