外国科学家感叹：只有中国人才可以做的了“天眼”
姜鹏国家天文台研究员 ， “中国天眼”总工程师
2020年1月11日 ， 由中国科学院国家天文台主导建设的500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meterApertureSphericalTelescope ， 以下简称FAST）通过国家验收 ， 标志着这项有“中国天眼”之称的重大工程项目正式交付国家使用 ， 同时也将对国内天文学家开放 。
FAST是我国具有自主知识产权的 ， 世界最大单口径的 ， 最灵敏的射电望远镜 。 它的投入使用使得中国的天文学家终于有机会走到世界的最前沿 。
望远镜的发展历史 ， 其实就是追求灵敏度的历史 。 而更灵敏的望远镜则需要具备更大的口径 ， 因为更大口径的望远镜意味着更大的收光面积 ， 也就意味着更强的对暗弱信号的探测能力 。 这样天文学家就可以探测到更多的天体样本 ， 观测到更遥远的宇宙现象 。 这对于我们研究宇宙的演化历史具有非常大的帮助 。
但是自从1972年德国人在波恩将望远镜的口径做到100米之后 ， 在近半个世纪内 ， 采用传统工作方式的望远镜都很难大幅突破这个工程极限 。 1994年 ， 以南仁东为代表的一批怀揣梦想和激情的中国科学家提出建造500米口径球面射电望远镜的设想 。 历时22年之后 ， FAST最终于2016年在贵州喀斯特洼地建成 。 从此 ， 世界射电天文望远镜的历史开始由中国人改写 。
文章图片
“中国天眼”之父南仁东（1945-2017）
FAST的反射面相当于30个足球场 。 如果把它比喻成一口锅 ， 装满水全世界每人可以分4瓶 。 这是常人难以想象的工程体量 。 在建造FAST的过程中 ， 工程团队也克服了一系列常人难以想象的困难 。
FAST的主体支撑结构是500米直径的圈梁和索网、6座挂在悬崖峭壁的百米钢塔、总面积25万平米的4450块反射面单元 ， 其总重量近12000吨 。 在没有大型机械辅助的前提下 ， 要在现场条件极其苛刻的山区完成毫米级精度的500米跨度结构安装 ， 这是人类不曾遇到过的工程技术难题 。 为此 ， 工程技术人员专门为FAST设计了极其特殊的安装方案 。 很多国际专家学者来FAST参观 ， 不由感叹：只有中国能做得了FAST 。
文章图片
FAST全局俯瞰图
FAST设备构成极其复杂 ， 近万根钢索与2000多台促动器组成的复杂耦合控制系统 ， 使30个足球场大小的反射面能实时地根据天体目标的位置改变形状 。 而馈源定位则首次采用轻型索拖动馈源平台的方案 ， 即通过控制六索索长 ， 控制馈源舱根据观测需要在焦面上移动 。 馈源舱内还装有AB轴和并联机器人 ， 可以进行二级调整以实现接收机高精度定位 。 这套世界上最大的柔索牵引并联机构 ， 要将30吨重的馈源舱在140米的高空、206米的范围控制到毫米级的精度 。 巨大工程体量、超高精度要求及特殊的工作方式 ， 造就了FAST调试所面临的技术挑战 。
FAST全新工作方式使得调试工作几乎没有可参考的成熟经验 ， 同时调试工作的安全风险极大 ， 一个小失误就可能会让望远镜遭受灭顶之灾 。 为此 ， 调试团队完成了一系列创新性的技术应用 ， 例如基于力学仿真技术发展了反射面的实时控制系统、研制了基于全站仪、惯导、卫星导航的多系统数据融合测量技术 ， 进而解决了望远镜调试所涉及的一系列测量、控制及安全评估等技术难题 。
文章图片
工作人员正在进行现场调试
FAST在2016年落成之后已经开始启用 ， 接收来自宇宙深处的电磁波 。 截止到2019年12月 ， FAST已成功发现近200颗脉冲星优质候选体 ， 其中超过百颗已通过验证 。 受益于FAST的超高灵敏度 ， 我们已经能将国际脉冲星测时精度提升至少一个数量级 ， 这将使人类有望首次具备探测纳赫兹引力波的能力 。 同时 ， FAST也将极大扩展射电波段可观测样本的数量 ， 拓展人类认知宇宙的视野 。
文章图片
FAST接收到的某脉冲星发来的周期性电磁波信号
【外国科学家感叹：只有中国人才可以做的了“天眼”】FAST在未来将帮助人类回溯宇宙最原初的影像 ， 帮助我们理解快速射电暴这类最神秘天文现象的物理起源 ， 让我们有机会发现更加奇异的天体 ， 例如脉冲星-黑洞双星系统 。 那样人类就可以首次精确测量黑洞的质量 ， 还可以在更极端的引力场条件下检验爱因斯坦相对论的正确性 。
推荐阅读
- 中国青年报|中国科学家历时16年找到蝗灾真凶 绿色防控成为可能
- 美挤掉4大强国拿下霸主宝座，现却拿中国没办法，感叹危机来临
- 中国新闻网|俄战机两次升空拦截外国军机
- 明明|外国人非常疑惑，中国人明明不好战，但为什么总是打不败？
- 行星|神话里的“天庭”真的存在？科学家：没想到吧，它其实是一颗行星
- 蔡少芬|女星年轻时到底有多美？蔡少芬够惊艳，当看到袁泉时感叹一眼万年
- 科学家|俄疫苗研发机构负责人：西方试图“引诱”俄科学家
- 火星|火星移民，科学家正努力把脑洞变为现实
- 细胞|脑科学日报：母亲消极教养的影响；科学家眼中的长寿身材
- 环球网|担心TikTok受限 日本女高中生感叹：如果不能用了会活不下去