江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

感受“中国天眼”：你在月球上打电话，就可以探测到你的信号

领略“中国天眼”的独特魅力
【感受“中国天眼”：你在月球上打电话，就可以探测到你的信号】解放军报采访人员韩阜业
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 。
感受“中国天眼”：你在月球上打电话，就可以探测到你的信号
文章图片
空中俯视“中国天眼” 。 张曦供
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！
来源：中国军网


    推荐阅读


    上一篇：新款737max来了，最大改进也是最大隐患

    下一篇：高调曝光、低调试验：国产电磁炮装上驱逐舰，还需经过这一步