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感受“中国天眼”:你在月球上打电话,就可以探测到你的信号


 大江网   2019-11-22 17:34:33 来源:中国军网 编辑:欧阳百惠 作者:佚名
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      领略“中国天眼”的独特魅力

      解放军报记者韩阜业

      随着人类科学技术的进步,遥望“宇宙之光”的天文学在20世纪30年代,衍生出新的分支学科——射电天文学。尽管这是一个年轻学科,但发展至今,已经产生了6项相关的诺贝尔奖。上世纪的“四大天文发现”——类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射都是利用射电观测手段测得的。射电天文学堪称孕育重大天文发现的摇篮,在国际天文学界已成共识。

      何为“射电”?它其实是天文学中的独有说法,指的是来自天体的无线电波。曾几何时,世界领先的射电天文望远镜均由欧美国家建造。2016年,500米口径球面射电天文望远镜(英文简写“FAST”)在贵州省平塘县建成,我国在相关领域跨入了世界先进行列。

      FAST是中国之最,也是世界之最,它由我国天文学家南仁东带领的团队于1994年提出构想,中国科学院国家天文台主导建设,具有我国自主知识产权,是当今世界最大单口径、最灵敏的射电天文望远镜。

      今天,让我们一起走近这个遥望星空的国家大工程——“中国天眼”FAST。

      登高远眺,

      感知“天眼”规模之大、能力之强

      从1937年世界上第一架口径9.5米的射电天文望远镜建成至今,射电天文望远镜的口径不断增大,这是因为它的灵敏度与其反射面口径成正比。人类要想不断探索遥远深邃宇宙中的奥秘,就必须研制更大口径的射电天文望远镜。

      被称为世界最大单口径射电天文望远镜的“中国天眼”,其反射面是由4450块、186种大小不同的三角形反射板组成,每块板的平均边长约为11米,其反射面总面积相当于30个标准足球场那么大。

      从1994年启动选址,到2011年动工,再到2016年竣工,建设者们用了22年时间,建成了这座举世瞩目的“中国天眼”。

      大家可能会想,“中国天眼”除了大,还有什么独特之处呢?捕获“天外之声”,探析宇宙奥秘,它有能力间接观测暗物质和暗能量,可从宇宙起源到星际介质的探索、对暗弱脉冲星及其他暗弱射电源的搜索、对地外理性生命的搜索等方面,实现科学技术的重大突破。

      作为射电天文望远镜,“能捕捉到更微弱的信号”才是核心能力所在。所以,“中国天眼”最为突出的,就是其超强的灵敏度。正如我国著名光电子学家王启明所说:“假设你在月球上打电话,FAST就可以探测到你的信号。”由于胜人一筹的灵敏度,FAST能探测到更暗弱的天体。

      美国物理学家约瑟夫·泰勒曾介绍,自己在美国阿雷西博305米口径射电天文望远镜的帮助下,与另一学者共同发现了双星系统脉冲星,继而利用该望远镜进行长期观测,为引力波的存在提供了坚实的证据,于1993年获得诺贝尔物理学奖。有关科学家说,FAST与被评为人类20世纪“十大工程”之首的美国阿雷西博305米口径射电天文望远镜相比,灵敏度提高2倍。

      中国科学院国家天文台副台长郑晓年也表示,作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来10至20年内保持世界一流设备的地位。

      深空狩猎,科学家们特别希望FAST能够发现银河系外新的天体,特别是快速旋转、密度极高的脉冲星。如果FAST能发现河外星系中的射电脉冲星,将在国际上具有开创性意义。

      据了解,虽然建成的时间不长,但FAST工程的技术团队已开始着手进行相关观测。

      置身其中,

      感知“天眼”设计之精、工程之巧

      如果有幸能够走近“中国天眼”,那么你一定会被其各个环节的精巧设计所震撼。

      “中国天眼”有着数不尽的“神工天巧”,索网结构就是其中最亮眼的一个。作为主动反射面的主要支撑结构,其索网结构是反射面主动变位工作的关键点。它的一些关键指标,远高于国内外相关领域的规范要求。例如,主索长度控制精度须达到1毫米以内,主索节点的位置精度须达到5毫米以内。其中,索构件疲劳强度不得低于500兆帕,相当于国际规范定值的2.5倍。因此,它被视为当今世界跨度最大、精度最高的索网结构。

      6670根主索、2225个主索节点及相同数量的下拉索,完整地拼出了FAST的索网。拼装完成后,FAST的巨大反射面看起来就像一口“超级大锅”,6个支撑塔高高竖起,网格逐渐爬满了“锅”底,向上延伸“咬住”环梁,反射面面板一圈一圈铺满索网的空隙,织完巨网。

      这一索网结构,是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。也就是说,索网可以根据观测天体的方位,启动促动器控制下拉索,在FAST反射面的不同区域形成直径为300米的抛物面,以实现精确观测。有人把这个可移动的抛物面形象地称为“中国天眼”的“虹膜”。

      提到“虹膜”,就不得不再说说“中国天眼”的“瞳孔”——馈源舱。馈源是指射电天文望远镜用来接收天体信号的系统,馈源舱就是用于安放这个系统的平台。

      美国阿雷西博射电天文望远镜的馈源平台重近千吨,几乎等于用固定轨道把平台架设在半空。这样的设计,虽有利于馈源的定位,却缩小了观测角度。FAST最终创新性地采取轻型索支撑馈源平台方案,把馈源舱减重到30吨,由6条600多米长的钢索吊在空中精准定位,误差不超过48毫米。这样的工程难度,世界上前所未有。

      “我们采用了光机电一体化技术,创新性地提出了轻型索支撑馈源平台,并使用并联机器人进行二次精调,实现高精度指向跟踪。这也是FAST的‘三大自主创新’之一。”FAST馈源支撑系统总工程师朱文白说,“通过卷扬机收放钢索,可以驱动馈源舱在一个距离地面高140米至180米、直径为207米的球冠面上运动,最大定位精度小于10毫米。”

      FAST建设之精巧,还体现在选址上。科技人员利用平塘县喀斯特漏斗洼地,依托当地独特的山体优势,顺势建成了“中国天眼”。

      “天然的喀斯特地形,可使雨水不会存积,与望远镜形状接近的山体洼地,又可以令工程开挖量大大减少,从而节省工程造价。”国家天文台高级工程师朱明介绍,科研人员对台址选择制订了非常“苛刻”的筛选指标,既要研究台址自身的岩体结构、水文情况、长短轴比例、挖填方率是否合适,还要考察台址山形的闭合情况、几何形状是否达标,最后再综合台址地区的地质灾害、地震风险、气象条件、无线电环境等是否满足条件。

      经过10余年的精挑细选和实地勘察,现址从一万多个备选地点中脱颖而出。

      纵观中外,

      感知“天眼”建设之快、影响之广

      我国的射电天文学研究起步比国际上其他国家晚了许多年。“起步比别人晚,就要比别人花时间多一点、走得快一点,否则永远赶不上。”FAST首席科学家、总工程师南仁东把生命中近三分之一的时光都奉献给了FAST。

      1993年,国际无线电科学联盟大会在日本东京举行。有科学家提出,在全球电波环境继续恶化之前,人类应该建造新一代射电天文望远镜,接收更多外太空的讯息。南仁东认为,这对中国来说是个千载难逢的好机会。“建造新一代射电天文望远镜”这个大胆的设想油然而生。然而,对于20世纪90年代初的中国来讲,如此设想可谓“胆量超大”。

      尽管如此,南仁东还是毅然决然地选择了坚持。他为找到一个合适的台址,用了10余年时间走遍贵州的山山水水,实地考察了上百个窝凼。

      终于,2007年7月,FAST作为“十一五”重大科学装置正式被国家批准立项。从那一天起,FAST就如同其英文缩写的含义(快速)一样,开始了快速建设之旅。

      FAST快在没有延期一天。工程建设从2011年3月5日开工报告批复之日起,到2016年9月25日如期竣工,历时2011天,全程没有出过重大安全事故。

      FAST快在调试期不到两年。大型望远镜的调试期一般超过4年,比如美国绿岸GBT望远镜(100米)花了6年,意大利SRT望远镜(64米)超过5年。

      FAST快在调试阶段就已开始进行早期科学研究。在不断校准“中国天眼”的“视力”过程中,中国天文学家们争分夺秒地开展科学观测。在望远镜还不能移动的情况下,他们就采用漂移扫描的方式,让地球自转带着“中国天眼”巡天。建成还不到一年,FAST就实现了精确跟踪观测模式,验证了它超高的灵敏度和望远镜效率。

      FAST快在调试阶段就开始系统发现新脉冲星。目前已发现了90余颗脉冲星候选体。这归功于科学团队提前准备,对团队成员进行了相应的观测及数据处理训练,开发了创新搜索软件和数据库……

      科技是国之利器,大科学装置无疑是利器的锋刃,是当之无愧的国之重器。

      22年铸就而成的“中国天眼”,值得信赖,更值得期待!

     



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