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中国天眼 看得远

来源:西安日报 浏览次数: 日期:2015年7月24日 16:27

2014年7月16日拍摄的资料照片显示正在建设中的500米口径球面射电望远镜。

 

开普勒—452b

点题

  正在中国贵州黔南安装建设的500米口径球面射电望远镜(英文简称:FAST),是目前世界上在建的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜。中国“天眼”有哪些“本领”?它能找到“外星人”么?

  揭秘宇宙起源 寻找外星生命

  23日,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。中国FAST工程办公室称,这一超级望远镜有望在2016年建成,建成后将成为世界级射电天文研究中心。

  遥望百亿光年星际

  射电望远镜,可不是肉眼观测的普通望远镜,它是当今世界上最顶尖级的太空望远镜。

  射电,是比红外线频率更低的电磁波段。射电望远镜,跟收卫星信号的天线锅类似,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。

  “宇宙空间混杂各种辐射,遥远的信号像雷声中的蝉鸣,没有超级灵敏的‘耳朵’,根本就分辨不出来。”中国科学院国家天文台FAST工程首席科学家、总工程师南仁东说。要想获得更远、更微弱的射电,“阅读”到宇宙深处的信息,就需要更大口径的射电望远镜。简言之,就是“锅”越大,星际穿越的距离就越远。

  专家们指出,与德国波恩100米望远镜相比,FAST灵敏度提高约10倍。这意味着,远在百亿光年外的射电信号,FAST也有可能“捕捉”到。

  中国“天眼”“眼窝”深

  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。1995年底,射电“大望远镜”中国推进委员会,提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面的“喀斯特工程”概念。

  经过反复筛选,最终在平塘县克度镇找到了“大窝凼”——最适合硕大“天眼”的深深的“眼窝”。

  FAST项目馈源支撑系统总工程师孙才红告诉记者,选址“大窝凼”有三方面原因,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一处“静土”,“大窝凼”附近5千米半径之内没有一个乡镇,无线电环境理想。

  “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’。”孙才红说。

  “变形金锅”随天动

  来到“大窝凼”,你会发现总面积达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。

  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。

  这口500米口径的大“锅”,是口名副其实的“变形金锅”。变形金锅’会动。FAST的索网结构可以随着天体的移动自动变化,带动索网上活动的4450个反射面板产生变化,足以观测到任意方向的天体。”面板单元技术总师、中国电科研究员级高级工程师郑元鹏说。

  能否看到“外星人”?

  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。FAST建成后将弥补我国在观测领域的不足。

  武向平认为,FAST非常适合脉冲星的观测,可以检验广义相对论。此外,它对高能物理、极端物理、相对论的检验也都非常有意义。在天文专家赵之珩看来,FAST建成后能够接收到从宇宙深处发来的无线电波,会有一系列新的发现,从而将我国在天文研究水平向世界先进行列迈出一大步。

  FAST那么灵敏,它能接收到遥远的世界里发过来的极其微弱的“外星人”的信号,找到“外星人”么?

  “FAST能从宇宙的今天看到很远的地方去,有助揭开宇宙起源之谜,甚至是‘地外文明’。”武向平说。

  赵之珩认为,射电波段的观测,推动了地球人对宇宙的理解,如20世纪60年代四大发现:宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际有机分子。现代天文学上的“两暗一黑”(即暗物质、暗能量、黑洞)还存在着许多的谜团。FAST接受和放大它们发来的微弱信号,有助于揭开这些谜团。

  中国天文学会会员、天津市天文学会理事史志成表示,FAST是我国具有自主知识产权的科学设备,对国际同类设备将保持20年以上领先水平。它将探测宇宙中遥远的信号、物质,例如电磁波、微波、激光、宇宙中的各种气体、有机物、星际物质、恒星等的辐射信息。它将对脉冲星、类星体等各种暗弱辐射源进行更精密观测,对它们的物质结构、产生机制进行深入探索,有望对认识宇宙起源与演化过程作出贡献。

  “宇宙中的生命体或高智商‘外星人’若存在,他们的产生、遗留之信息,若存在于浩瀚天宇中,也有可能被FAST探测并接收到。”史志成说。

  直击

  很精致

  毫米级安装 面板单元445000块

  从贵阳龙洞堡机场驱车向南,高速转土石路再穿过一段狭窄山口,“长”在“天坑”里FAST便赫然在前了。拥有近30个足球场的接收面积,FAST的壮观足以让3个小时的颠簸疲乏一扫而空。

  23日下午,FAST正式进入反射面拼装阶段。在黔南特有的“天坑”里,4000多块边长11米、铝合金制的三角形面板,最终将拼出FAST天线锅。

  反射面单元是主动反射面系统的重要组成部分,由中国电子科技集团公司设计和制造。同时,中国电科承担着FAST核心部件——馈源舱及舱停靠平台的研制工作。

  “面板和馈源是决定FAST探测威力和探测精度的核心要素。”中国电子科技集团公司总经理樊友山说,“具有中国独立自主知识产权的500米超大口径创造了世界射电望远镜第一大单口径之最,将让FAST拥有世界正在计划和建造中的射电望远镜的最大威力。其设计综合体现了我国的高技术创新能力。”

  FAST承载着中国射电领跑世界的光荣与梦想。

  它“身段”极低,扎根在中国西南边陲一片喀斯特洼地中。它“目光”高远,能观测百亿光年外的星空。

  FAST需要把近30个足球场这么大的接收面积里收集的信号,聚集在药片大小的空间里。500米口径的结构,怎样才能实现毫米级精度?

  “洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面。全新的设计思路开创了建造巨型射电望远镜的新模式。”中国电科研究员级高级工程师王枫说。

  这些面板上密布孔洞。

  “布下这些孔洞,一是为了减少风负载;二是提高透光率,让天线面下能长草,避免水土流失。”面板单元技术总师、中国电科研究员级高级工程师郑元鹏说。

  要能灵敏观测浩瀚星空,拼装面板子单元边界的精准定位是首要问题。科研人员为此专门设计的定位夹具,它能对每块面板的水平位置以及轴向高度进行精准定位,每个等边三角形交点孔位精度保持在0.1至0.15毫米。

  “现场安装是前所未有的大工程。”郑元鹏透露了一组数据:FAST由484种4450块面板单元组成,每块单元共7种100块子单元构成,面板单元共计3388种445000块。每天要生产不少于140种共计2000块子单元以及相应的连接构件,以满足每天的吊装数量。

  FAST能够把近30个足球场这么大的接收面积里收集的信号,聚集在药片大小的空间里。

  大科学工程的严苛要求,推动了中国装备制造能力的提升。樊友山说,FAST是人类用极端手段探索遥远的星空,因而在建设中使用了大量非标准的工业模块。这就需要科研人员强力攻关,不断研发新技术。

  据介绍,FAST工程项目2007年正式立项,2011年开工建设,预计2016年建成。人们期待FAST顺利建成,捕获天外之声,探析宇宙奥秘。

  射电望远镜的由来

  两百多年前,人们认为从宇宙天体传来的唯一信息就是光。后来,英国的赫歇耳在测量太阳光谱时,发现在光谱的红端之外,也就是没有阳光的地方,温度竟然比可见光之处的温度还高,赫歇耳把这种热线叫做“看不见的光线”,现在我们知道,它叫“红外线”。

  慢慢地,科学家逐渐意识到,除了可见光,宇宙天体还向我们传来一种看不见的信息。等到麦克斯韦建立完整的电磁学理论后,人们才彻底清楚:原来可见光只是一种电磁波,而在长长的电磁波谱上,可见光只占据极小的一部分。

  既然可见光能带来宇宙的信息,那么可见光之外的电磁波肯定也能。

  1924年,科学家在测量地球电离层的高度时,发现一个奇怪的现象:凡是波长短于60米的电磁波穿过大气层的电离层时,全都一去不复返,没有反射回来。于是,人们认识到,既然波长短于60米的电磁波能从地球毫无遮挡地冲向宇宙,那么,从宇宙深处传来的,波长短于60米的电磁波同样也能穿过厚厚的大气层来到地球——这就是一个观察宇宙的无线电窗口。

  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。后来,美国人格罗特·雷伯建造了一架口径9.5米的天线,并在1939年也接收到了来自银河系中心的无线电波,从此,射电天文学诞生了。

  射电望远镜可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。包括收集射电波的定向天线,放大射电信号的高灵敏度接收机,信息记录处理和显示系统等。上世纪60年代,天文学取得了4项非常重要的发现,分别是脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射和星际有机分子,而这四大发现都与射电望远镜有关。

  资料

  口径为何越大越好

  天文望远镜的分辨率跟望远镜的口径有关,在接收同样波长的电磁波时,望远镜的口径越大,分辨率就越高。这就是为什么,射电望远镜越做越大。

  1955年,英国在曼彻斯特的焦德雷尔班克观测站建成可转动的洛弗尔射电望远镜,它的直径为76米。

  1972年,德国在波恩市西南大约40公里的一个山谷中,建成了当时世界最大的全向转动射电望远镜,其抛物面天线直径达100米。

  1963年,美国在中美洲波多黎各岛上建成阿雷西博射电望远镜。阿雷西博射电望远镜是固定在山谷当中的单口径球面天线,口径305米,这是目前世界上最大的单面口径射电望远镜,后扩建为350米。

  1974年,为庆祝改造完成,阿雷西博望远镜向距离地球2.5万光年的球状星团M13发送了一串由1679个二进制数字组成的信号,称为阿雷西博信息。

  档案

  个头大

  接收面积30个足球场

  超级望远镜有多大?

  FAST口径有500米,有近30个足球场大的接收面积。其主反射面的面积达25万平方米,由近460000块三角形单元拼接而成。它的圈梁被50根6米到50米高低不等的钢柱支在半空,周长约1.6公里,绕走一圈约要40分钟。

  性能如何?

  与号称“地面最大机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST的灵敏度提高约10倍;与被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo300米望远镜相比,FAST的综合性能提高约10倍。作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20至30年保持世界一流设备的地位。

  有何独到之处?

  全新的设计思路加之得天独厚的台址优势,使FAST突破了射电望远镜的百米极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。首先,它利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址;其次,洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面,球冠反射面在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面,使望远镜接收机能与传统抛物面天线一样处在焦点上;第三,采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现接收机的高精度定位。

  任务是啥?

  中国电子科技集团公司产业部主任杨定江表示,FAST的设计技术方案除了在观测中性氢线及其他厘米波段谱线,开展从宇宙起源到星际物质结构的探讨、对暗弱脉冲星及其他暗弱射电源的搜索、高效率开展对地外理性生命的搜索等6个方面实现科学和技术的突破外,还将作为一个多学科基础研究平台,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。

  如何诞生的?

  1993年国际无线电联大会上,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。随后,以北京天文台为主,联合国内20余所大学和研究所成立了射电“大望远镜”中国推进委员会,提出建设“喀斯特工程”。FAST工程的预研究历时13年,由中科院国家天文台主持,全国20余所大学和研究所的百余位科技骨干参加此项工作。2007年7月FAST项目正式立项。2011年3月25日,FAST工程正式开工建设。

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  本组文图据新华社、中广网、中新网、NASA官网

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