中國為什麼造世界最大射電望遠鏡缩略图

中國為什麼造世界最大射電望遠鏡

1609年,意大利天文學家伽利略造出了世界上第一架天文望遠鏡,打開了人類認識和探索宇宙的窗口。 400多年後,人類依然在不斷努力望向更遠處的星空,而現在幫助人類把目光投向最遠處的是中國人。 9月25日,舉世矚目的中國「天眼」——500米口徑球面射電望遠鏡(簡稱FAST)正式開啟,這使人類探索宇宙的範圍拓展至137億光年以外,接近宇宙的邊緣。

位於貴州黔南州平塘縣大窩氹群山之中的世界最大單口徑射電望遠鏡FAST

文|北京 衛新

世界上看得最遠的射電望遠鏡

自第一架天文望遠鏡在歐洲問世後,400多年來,在對浩瀚宇宙的好奇心的不斷驅使下,人類的望遠鏡製造技術突飛猛進,帶來了一系列天文科學領域的重大突破。

1990年,美國將哈勃望遠鏡送上太空,首次窺探到宇宙深處的星系面貌。二次世界大戰後,伴隨著無線電技術的進步,射電望遠鏡脫穎而出。與光學望遠鏡不同,射電望遠鏡收集的是來自宇宙空間的電磁波,它可以探測到光學望遠鏡觀測不到的許多東西,比如類星體、脈衝星、星際分子和微波背景輻射等。今年轟動一時的引力波,就是通過美國阿雷西博射電望遠鏡間接發現的。

受望遠鏡設備所限,中國射電天文起步較晚。按國際慣例,天文設備都是開放的,但由於國內外設備差距較大,缺乏平等合作的基礎,中國人要獨立申請使用國外望遠鏡實際上十分困難。走過蹣跚學步、仰望西方的階段,中國人意識到,只有走自主研製之路,才可以扭轉這一局面。

就像電視「鍋蓋天線」口徑越大畫面越清晰一樣,射電望遠鏡的接收原理與此類似,也是通過鍋的反射聚焦,把幾平方米到幾千平方米的信號聚攏到一個點上,口徑越大看得越遠。

美國在波多黎各島上一座天然火山口建造的阿雷西博射電望遠鏡,自1963年建成以來,已雄踞世界接收面積最大的單口徑射電望遠鏡寶座長達半個世紀。其最初口徑為305米,20世紀70年代擴建至350米,被喻為人類20世紀十大工程之首。中國「天眼」FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope)口徑長達500米,已取代阿雷西博成為當今世界上口徑最大、精度最高、看得最遠的射電望遠鏡。

靈敏度比阿雷西博提高了2倍

FAST的外形如一口巨大的鍋,主要由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。其中,主動反射面系統是由4,450塊、186種大小不同的三角形反射板拼接而成的球冠型索膜結構,就像「天眼」的「眼珠」。與固定在地面上的阿雷西博望遠鏡不同的是,「天眼」是真正的「活眼」,既能聚焦又能轉動。

中國為什麼造世界最大射電望遠鏡

FAST工程饋源艙

就像水手扯動纜繩控制船帆的朝向一樣,FAST根據觀測的方向,會通過拉扯6,670根鋼索來變形反射面。反射面每塊三角拼板下的連接點通過下拉鎖運動,隨著拼板的不斷變形,500米直徑的反射面可實時變換成一個300米直徑的瞬時拋物面。整個變形過程由激光定位系統校準。

要精準接收來自宇宙的電磁波,除了需要巨大的反射面,還倚賴於一個靈敏的核心部件——饋源艙。在整個反射面的中心位置,重達30噸的饋源艙由6條400多米的鋼索吊起,高懸於空中。工作時,饋源艙會隨著探測的需要沿反射面中心軸上下移動,類似「瞳孔」一般與反射面通過凹視鏡成像原理共同形成聚焦。其移動範圍可達200米,並且在移動過程中,每一部分的位移都會控制在毫米級,從而確保觀測的精確度。 FAST饋源艙內共承載著7套饋源,整個反射面所接收到的全部宇宙信號,都靠饋源來收集和回傳。

FAST的反射面總面積達25萬平方米,相當於30個標準足球場的大小,能夠接收到137億光年以外的電磁信號,這接近於宇宙的邊緣。 FAST反射面上的4,450塊反射板每一塊都可以進行對焦,這使FAST與阿雷西博望遠鏡相比靈敏度提高了2倍。至於FAST的靈敏度究竟有多高,一個形象的比喻是:你在月球上打電話,FAST都可以探測到信號。

投入使用後,FAST的兩大科學任務是巡視宇宙中的中性氫和觀測脈衝星。中性氫是宇宙中未聚攏成恆星發光發熱的氫原子,由一個質子加一個電子組成,中性氫雲團的運動反映了星系間的互動細節。通過巡視中性氫,人類可探知宇宙的起源和演化,還能據此描繪宇宙的未來圖景。脈衝星則是一種高速旋轉的中子星,可研究極端狀態下的物質結構與物理規律。當前人類觀測的脈衝星約有2,000顆,全都是銀河系內的。有了FAST,就可以發現銀河系外更多奇特的脈衝星,就有可能產生突破性的理論。

此外,FAST還可以探測星際分子,搜索可能的星際通訊信號,為國際上尋找地球以外生命的計劃提供支持。未來,建造FAST本身的關鍵技術成果還可應用於諸多領域,如公里範圍高精度動態測量、大型工業機器人研製、大尺度結構工程以及多波束雷達裝置等。

擁有絕佳工作環境

FAST坐落在貴州省黔南布依族自治州平塘縣的大窩氹。 「氹」音同蕩,是水坑的意思。

大窩氹群山環抱、山巒疊翠,在FAST到來之前,當地的十幾戶人家還居住在不通電的封閉世界裡。但這塊封閉世界裡的圓形窪地竟如上天神作,成了FAST近乎完美的家。

中國為什麼造世界最大射電望遠鏡

FAST內部一景

1993年,在東京國際無線電科學聯盟大會上,包括中國在內的十國天文學家分析了射電望遠鏡綜合性能的發展趨勢,並提出建造新一代大射電望遠鏡的倡議,FAST的誕生肇始於此。 1994年,FAST項目被中國提上議程,選址勘察隨之緊鑼密鼓地開展起來。

FAST的選址工作比一般科技項目選址要複雜得多,除了要考慮成本和造價外,還要同時兼顧地質基礎、氣象條件、電磁波環境和周圍無線電背景條件等因素。 1994年4月,中科院國家天文台牽頭國內20所院校,從火山口、礦坑、隕石坑、岩溶地區窪地等地貌中挑選最佳方案,最後認定貴州喀斯特地貌的天然窪地正適合為形如大鍋的FAST安家。隨後,FAST團隊成員近乎把貴州的喀斯特地貌區「挖」了個遍,首先通過遙感圖初步選定300多個候選窪坑,接著又通過計算機模擬工程填挖量從中選出30多個進行實地考察,最終大窩氹成功突圍。

大窩氹深度合適、大小合適、形狀很圓,它的天然地貌最接近天線鍋的形狀,所以FAST落戶不用開山炸石,工程量小,方便建造。並且大窩氹附近5公里半徑內沒有一個鄉鎮,25公里半徑內只有一個縣城,周圍僅有十幾戶人家,無線電干擾較少。身處大窩氹之中,FAST的反射面都在埡口下面,又能大幅減少電磁干擾。大窩氹為FAST提供了幾近「真空」的絕佳工作環境。

十年磨一劍、廿年造「天眼」,中國人22年的艱辛磨礪,終於成就FAST。偏居黔南一隅的大窩氹,不僅僅是一個地理坐標,更是一個科學大征程的起點。作為中國天文研究和自然科學研究的新利器,FAST將為中國天文學躋身世界一流創造條件,也將承載人類探索無垠宇宙的夢想,向穹頂之上望去。

(作者係中國科協北京天文館研究員)

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