射电望远镜 FAST 为什么是球面的而不是抛物面？ 第1页

听说先声明身份有助于骗赞……我所在的组参加承担了FAST早期科学研究973项目。

以及听说先扯一点背景知识有助于骗赞……于是就先说说FAST的“原型”——也就是同属于一个大圆坑修吧修吧就变成望远镜这个思路的，美国Arecibo望远镜。

Arecibo盖在波多黎各的山坳里，直径305m。

在把大坑整形之后，架起索网，再铺上金属网，镜面就成了（此处有伏笔）：

周围竖起三根塔，拉起钢缆吊装上馈源，Arecibo就盖好了：

注意，这样一口大锅是不能动的。但是天上的天体是时刻都在动的。所以如果这样一口正朝上的大锅只能看正对着的方向的话，就只能看天顶一点了，那必然不满足观测天文目标的要求。好在Arecibo采用了球面主镜，球面自然是朝各个方向都具有一样的光学性质了，而且，球面和抛物面的底端小范围内的形状是近似的。所以只要利用这口大球锅的不同部位，就可以观测不同方向的天体：
但是球面和抛物面这个近似还是有点缺陷。抛物面是可以把平行光汇聚在一个焦点上的，球面就不行，会把光（电磁波）汇聚在一条线上：
就是这张图上所谓的focal line。
这样一来，为了接收分布在focal line上的信号，馈源就必须是线状的，所谓线馈：
（正在吊装的线馈）

可以看到线馈上开了很多孔，是留给收集来的电磁波通过用的。开这些孔的位置需要很精确。而且由于信号的色散，线馈能接收的频率带宽受到了限制。所以人们就想有没有别的办法……

通过一些聪明的工科男一番设计，终于搞出来了这么个东西……
通过不明觉厉（其实是格里高利式光路）的二次镜、三次镜的反射，主镜为球面的Arecibo也能把信号汇聚在一点上啦。

再来看一下这个不明觉厉的新馈源舱的样子：
这个馈源舱也做过两代更新。第一代是铝的，350吨；第二次是不锈钢的，又增重50%。
新馈源舱呢，效果杠杠的。

好了…………让我们回到FAST。

基本上，FAST也是找了个大坑……

也需要搭架子、拉网，在网上铺面板来构成镜面：

上面铺的板子长这样：

哦不能再灌水了……回答题主的问题，为什么要采用球面？

根据前面对Arecibo的介绍，我们知道望远镜之所以能为望远镜，一定要实现能观看不同方向的目标这个基本功能，而且主镜汇聚起来的信号还要进行有效的采集。Arecibo是利用球面和抛物面的相似性来“将就着”看不同方向，然后采用堪忧的线馈或者复杂的格里高利式馈源舱来采集信号。格里高利式馈源舱虽然效果好，不过前文已经提及，这货实在是太重了，达到数百吨之多，作为不是搞工程的我猜应该吊装和使用都会有相应的技术难度。

所以就有人想，我们在搞FAST的时候，能不能既让镜面是抛物面，一次成型汇聚成点，不需要线馈也不需要笨重的格里高利式馈源舱；另一方面我们也不能一次性做一个固定不动的抛物面，那样不就不能对不同方向的天体进行观测了嘛，于是我们可以想办法让这个抛物面能动起来。

但是大坑本身是动不了的，怎么能让镜面成为抛物面，还能动起来？

——办法就是主动光学。看图。

FAST最值得吹牛的，就是这事了。注意右图，整个望远镜镜面是由很多块小面板拼成的，每一块都能在一定的范围内调整位置（接前述伏笔：Arecibo那个金属网是不能动的）。这样当我们想看一个某方向的目标时，只要让正对着这个目标的一定范围（300m）内的小面板一起调整位置，把这300m的镜面变成抛物面就好。目标移动到哪里，这300m的“照明”范围就跟到哪里。

所以本质上，FAST是一个抛物面的很简单的光学系统。

然而，之所以名字还叫“球面”，还是之前说的，球面和抛物面底部很接近，整个大坑的初始状态整成球面的话，其局部变形为抛物面最容易。

下图示意从球面这个“基线”变形为抛物面时，这个被“照明”的300m口径上各个面板需要调整的幅度随距离300m口径中心点距离的变化：

基本只要上下调整半米以内就可以。

参考：

Altschuler 2002 http://www.astro.wisc.edu/~sstanimi/Students/daltschuler_2.pdf

Nan et al. 2011 http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1105/1105.3794.pdf

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