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大窝凼里的中国“天眼”

来源:网易新闻 浏览次数: 日期:2015年8月3日 17:34

2009年6月的一天,贵州市平塘县克度镇绿水村然路组大窝凼,在这里居住了68年的杨朝礼老人,正随着寨子里的人往外搬迁。这个63口人的寨子要全体搬到远离大窝凼的镇政府所在地——红塘街。因为,经过若干次的科学论证和考察,目前全球最大的“500米口径球面射电望远镜”(Five hundred meters Aperture Spherical Telescope,简称FAST)落户地最终选择了大窝凼。

  2015年7月23日,这个我国建设的世界最大单口径球面射电望远镜的重要设备——反射面单元面板第一批1000个单元“就位”,开始在贵州省黔南进行现场拼装。这只被誉为中国“天眼”的超级望远镜单口径500米,接收面积相当于近30个足球场,预计2016年竣工。那么,什么是射电望远镜?中国“天眼”为何选址黔南?长啥样?有哪些“本领”?为何要建设“天眼”,意义何在?

  南方日报记者 戎飞腾 实习生 肖宪裕 策划统筹:罗彦军 陈超

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  射电天文学:诺奖摇篮

  一般的天文望远镜,只能观测到其他天体发出的可见光,因此叫做光学天文望远镜。而在可见光的波段以外,还有许多其他波段的无线电波,它们无法被人眼直接感应为可见图像,但同样可以被接收和测量。射电望远镜,就是用来“观测”从天空中各个方向发来的电波的一种天文仪器

  射电天文学诞生于20世纪30年代,是通过观测天体的无线电波来研究天文现象的一门学科。由于地球大气的阻拦,从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面,迄今为止,绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。射电天文学以无线电接收技术为观测手段,观测的对象遍及所有天体:从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象,直到极其遥远的银河系以外的目标。射电天文波段的无线电技术,到20世纪40年代才真正开始发展。

  那什么是射电望远镜呢?一般的天文望远镜,只能观测到其他天体发出的可见光,因此叫做光学天文望远镜。而在可见光的波段以外,还有许多其他波段的无线电波,它们无法被人眼直接感应为可见图像,但同样可以被接收和测量。射电望远镜,就是用来“观测”从天空中各个方向发来的电波的一种天文仪器。它具有高定向性天线和相应的电子设备。因此有人说,射电望远镜与其称它为望远镜,倒不如说是雷达接收天线。当然,通过后期的技术处理,射电望远镜所接受到的电波,也可以处理转换成数据或图像。

  用一般望远镜只能看到可见光现象,而射电望远镜则可以观测到天体的射电现象。由于无线电波可穿透宇宙中大量存在而光波又无法通过的星际尘埃介质,因而射电望远镜可以透过星际尘埃观测更遥远的未知宇宙。同时,由于无线电波不太会受光照和气候的影响,射电望远镜几乎可以全天候、不间断地工作。射电望远镜的发明使天文学有了飞速发展。它揭示了宇宙中许多奇妙现象。例如通过射电望远镜,人们发现了天鹅座A的射电星系,它每秒钟发出的射电能量要比太阳每秒钟发出的能量强1亿亿倍以上,是迄今发现的最大射电星系,而用光学望远镜对它却是一无所知。此外,20世纪60年代天文学的“四大发现”:脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子都与射电望远镜有关。诺贝尔奖历史上明确定名为天文学奖的7个奖项中,有5项都是基于射电望远镜的观测成果,射电天文学已成为诺贝尔奖的摇篮。

  射电天文望远镜的原理是用外形像锅状的天线,通过锅的反射聚焦,把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上,接收无线电波来确定位置和轨道。

  1931年,美国贝尔实验室的央斯基用天线阵接收到了来自银河系中心的无线电波。随后美国人格罗特·雷伯在自家的后院建造了一架口径9.5米的天线,并在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波,并且根据观测结果绘制了第一张射电天图。雷伯使用的那架天线是世界上第一架专门用于天文观测的射电望远镜,射电天文学从此诞生。

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  选址大窝凼:天然“眼窝”

  经过反复筛选,最终在贵州平塘县克度镇找到了最适合硕大“天眼”的深“眼窝”。根据地形图及航拍全景图所示,FAST周围三座山峰呈三足鼎立之势,每座距离都在500米左右,中间的洼地犹如一个天然的锅架,刚好稳稳地盛下FAST这口“大锅”

  在我国,对于射电天文望远镜的探索分步进行。2012年,直径为65米的全可动射电望远镜在上海佘山落成,成为亚洲最大的全方位可转动射电望远镜。

  预计明年建成的贵州平塘FAST,则在口径上超过了美国的阿雷西博,达到500米,成为目前全球最大的单口径射电望远镜。中国科学院国家天文台FAST工程首席科学家、总工程师南仁东曾表示,即使是远在百亿光年外的射电信号,FAST也有可能“捕捉”到。

  和硕果累累的“前辈”阿雷西博相似,贵州在建的FAST选址在了喀斯特地貌的凹坑中。

  1993年,包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”的倡议,旨在回溯原初宇宙,解答天文学中的众多难题。1994年底,北京天文台(现国家天文台)牵头20所院校,提出了“喀斯特工程”,建议在我国西南地区的喀斯特洼地中建造一个500米口径球面射电望远镜。

  2007年7月FAST项目正式立项,成为国家“十一五”重大科学工程。项目组使用遥感、地理信息系统、GPS、现场考察与计算机图像分析等方法,对贵州南部喀斯特地区进行了多学科的台址评估工作,并在自然地理、地貌发育控制因素、洼地的形态特征、水文地质、工程地质、气象及电波环境等诸方面都做了初步评估。贵州省独一无二的喀斯特洼坑形态、地质条件和极端安静的电波环境,为500米口径球面射电望远镜建设提供了优良台址,自选址工作开展以来,众多国内外专家纷纷前往考察。

  FAST项目馈源支撑系统总工程师孙才红如此解释选址考虑的三方面因素:一是地貌最接近FAST的造型,工程开挖量最小;二是这里的喀斯特地质可以保障雨水向地下渗透,不会在表面淤积而损坏和腐蚀望远镜;三是射电望远镜需要“静”,附近5千米半径之内没有一个乡镇,无线电环境理想。

  科学家们在当地居民的帮助下,跋山涉水勘察选址。经过反复筛选,最终在平塘县克度镇找到了最适合硕大“天眼”的深“眼窝”。根据地形图及航拍全景图所示,FAST周围三座山峰呈三足鼎立之势,每座距离都在500米左右,中间的洼地犹如一个天然的锅架,刚好稳稳地盛下FAST这口“大锅”。

  “大窝凼”中“躺”着的总面积达25万平方米的反射面看起来像一口超级“大锅”。总长度超过1.5千米的钢圈梁,将上万根钢索牢牢固定住。若想一览FAST工程全貌,必须爬上附近的山顶。而那里正在建设的观景台,正是今后游客观赏FAST的地方。据了解,反射面单元面板将固定在上万根钢索上,安装完成后整个反射面其实是悬在半空中的,有螺旋状公路一直通达“凼”底,供车辆和人员维护设备时通行。反射面与地面之间的空隙今后还会恢复植被,保护环境。

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  多重使命:聆听宇宙

  FAST作为一个多学科基础研究平台,建成后能接收到更多从宇宙深处发来的无线电波,将会帮助人类天文研究迈出一大步。比如,FAST有能力将中性氢观测延伸至宇宙边缘,观测暗物质和暗能量,寻找第一代天体

  中国天文学会理事长、中国科学院院士武向平表示,在天文观测方面,中国长期以来在世界上没有占据很前沿的位置。如果没有观测数据积累,总是用别人“二手的东西”,即使做了研究,也很难出彩。FAST建成后将弥补我国在观测领域的不足。

  国际大射电望远镜操作委员会(ISSC)委员、国家天文观测中心大射电望远镜实验室研究员彭勃博士在接受媒体采访时也介绍,相比固定式的美国阿雷西博和全可动的德国埃菲尔斯伯格,FAST不仅刷新了全球最大的口径纪录,更突破了大型射电望远镜的工程极限,比现有世界全可动射电望远镜的灵敏度提高近一个数量级,将成为新一代射电望远镜。

  按照国家天文台副台长郑晓年的估算,FAST全新的设计思路,加之得天独厚的台址优势,灵敏度将10倍于德国的埃菲尔斯伯格,综合性能比美国阿雷西博也提高了约10倍。

  专家认为,FAST作为一个多学科基础研究平台,建成后能接收到更多从宇宙深处发来的无线电波,将会帮助天文研究迈出一大步。比如,FAST能将中性氢观测延伸至宇宙边缘,观测暗物质和暗能量,寻找第一代天体;能用一年时间发现约7000颗脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律;有希望发现奇异星和夸克星物质等等。此外,由于对无线电波捕捉能力的提高,FAST将有更多的可能搜寻识别到来自地外文明的通讯信息。这一功能使FAST被科幻迷们赋予了更多的“寻找外星人”浪漫色彩。

  在国家重大需求方面,FAST也有重要应用价值。它能把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘,将深空通讯数据下行速率提高100倍。脉冲星到达时间测量精度由120纳秒提高至30纳秒,成为国际上最精确的脉冲星计时阵,为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。进行高分辨率微波巡视,以1Hz的分辨率诊断识别微弱的空间讯号,作为被动战略雷达为国家安全服务……

  不过,即使FAST将成为我国天文观测史上一个里程碑式的突破,从实用角度并不代表我国的天文观测水平就此达到了世界领先水平,天文观测的进展更有赖于国际合作。

  果壳网“科学人”主笔虞骏(笔名Steed)接受南方日报记者采访时表示,单个射电望远镜口径的大幅增大,意味着用同样的灵敏的接收器,可以接收到更遥远天体发来的更加微弱的无线电波,这对天文观测的意义是显著的。但是纯粹从观测精度来说,把相隔一定距离的多台射电望远镜连接构成的望远镜阵,远远拥有更大的遐想空间。比如说,在中国放一个大天线,在美国、澳大利亚、欧洲也放置大望远镜,连成望远镜阵就可以构成接近地球大小的望远镜了。

  “我们国家建成的射远如参与到国际合作中,可以跟国外的望远镜联合起来,联合起来的观测精度,也许将达到地球上射远可以观测的极限。”虞骏说。

  链接

  各国大口径射电望远镜

  名称:绿岸望远镜(GBT)

  口径:1x100米

  地址:美国

  国家:美国

  建成时间(年):2000

  名称:巨型米波射电望远镜(GMRT)

  口径:30x45米

  地址:印度

  国家:印度

  建成时间(年):1995

  名称:IRAM毫米波射电望远镜

  口径:6x15,30米

  地址:法国、西班牙

  国家:法国

  建成时间(年):1979

  名称:埃菲尔斯伯格射电望远镜(Effelsberg)

  口径:1x100米

  地址:德国

  国家:德国

  建成时间(年):1972

  名称:阿雷西博射电望远镜

  口径:1x305米

  地址:波多黎各

  国家:美国

  建成时间(年):1963

  名称:澳大利亚帕克斯射电望远镜(Parks)

  口径:1x64米

  地址:澳大利亚

  国家:澳大利亚

  建成时间(年):1961

  图片据中国科普博览网站

  数说FAST

  7亿元

  工程投资超过7亿元。

  500米

  FAST的口径达500米,是目前世界建成和在建的最大单口径球面射电望远镜。

  30个

  接收面积相当于30个足球场大小。

  1600米和5600吨

  整个钢结构圈梁长度达到1600米,消耗钢材5600吨,总工程量相当于1/4个“鸟巢”。

  9000根和1300吨

  FAST反射面索网结构,将由近9000根高精度高强度钢索连接而成,在半空中形成1300吨重的钢质索网。

  4600块

  FAST反射面是由超过4600块的主动反射单元拼装在索网上,形成球形反射面。

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