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        “觀天巨眼”的威力

        2016-07-19 09:49:22齊健吳晶晶胡星楊維漢
        瞭望東方周刊 2016年26期
        關(guān)鍵詞:饋源脈沖星反射面

        齊健+吳晶晶+胡星+楊維漢

        2016年6月27日,500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)工程施工場(chǎng)而和滿天繁星相映生輝

        2016年7月3日,直徑500米、迄今全球最大的“鍋蓋”在貴州喀斯特天坑中架設(shè)完成。

        它就是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡,世界上最大和最具威力的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

        它被稱為“天眼”,用來(lái)傾聽(tīng)宇宙深處聲音、觀測(cè)宇宙奧秘。

        分辨“雷聲中的蟬鳴”

        當(dāng)老式電視收不到信號(hào)時(shí),屏幕上不是一片空白,而是閃爍著密密麻麻的雪花點(diǎn)。其實(shí),這些雪花點(diǎn)就是電磁波信號(hào),其中也包括來(lái)自太空的射電輻射。

        1933年,美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家用一臺(tái)靈敏度很高的接收機(jī)意外發(fā)現(xiàn)了來(lái)自銀河中心穩(wěn)定的射電輻射,從此開(kāi)啟射電天文學(xué)的大門。

        用過(guò)“鍋蓋天線”的人知道,鍋蓋口徑越大,電視畫(huà)面也越清晰。對(duì)于射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō),口徑越大看得越遠(yuǎn)。全世界的射電天文學(xué)家都追求建造更大口徑的“鍋蓋”,以提高射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度。

        中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程副經(jīng)理彭勃說(shuō),射電望遠(yuǎn)鏡在設(shè)計(jì)建造之初就曾遇到經(jīng)費(fèi)緊張,但不管減什么,科學(xué)家們都不愿縮小望遠(yuǎn)鏡的口徑。

        “宇宙空間混雜各種輻射,遙遠(yuǎn)的信號(hào)像雷聲中的蟬鳴,沒(méi)有超級(jí)靈敏的‘耳朵,根本就分辨不出來(lái)?!敝袊?guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程首席科學(xué)家、總工程師南仁東說(shuō)。

        此前,世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡,分別是德國(guó)波恩100米望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)阿雷西博300米望遠(yuǎn)鏡。前者是可以移動(dòng)“搖頭”的,后者則借助波多黎各島上的喀斯特洼坑建造。

        1993年國(guó)際無(wú)線電聯(lián)大會(huì)上,包括中國(guó)在內(nèi)的10國(guó)天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”的倡議,渴望在電波環(huán)境徹底毀壞前,回溯原初宇宙,解答天文學(xué)中的眾多難題。

        “造世界第一大口徑射電望遠(yuǎn)鏡,是南仁東老師和幾位前輩的夢(mèng),體現(xiàn)了中國(guó)天文學(xué)家的鴻鵠之志?!迸聿f(shuō)。

        1995年底,北京天文臺(tái)聯(lián)合國(guó)內(nèi)20余所大學(xué)和研究所,成立了射電“大望遠(yuǎn)鏡”中國(guó)推進(jìn)委員會(huì),提出了利用貴州喀斯特洼地建造球反射面,即“阿雷西博型天線陣”的喀斯特工程概念。

        此后,中國(guó)科學(xué)家們進(jìn)一步推進(jìn)喀斯特概念,提出獨(dú)立研制一臺(tái)新型的喀斯特單元,即500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。

        為了給新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”安家,科學(xué)家們通過(guò)衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個(gè)遍。彭勃回憶說(shuō),當(dāng)時(shí)天文臺(tái)委托兩家院所進(jìn)行獨(dú)立搜尋,從300多個(gè)候選洼坑中遴選。結(jié)果,位于黔南州平塘縣的大窩凼兩次都獲得最高分。

        貴州天然喀斯特洼坑提供的條件,始終都是中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡最獨(dú)到、成為世界最大最強(qiáng)的基礎(chǔ)。

        絕不是“傻大粗”

        無(wú)論是置身大射電望遠(yuǎn)鏡邊上,爬上附近山頂?shù)挠^景臺(tái),還是通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)視頻,你都能直觀感受它的第一特點(diǎn)——大??茖W(xué)家們形容它是一座“觀天巨眼”。

        中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程總工藝師王啟明說(shuō),僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬(wàn)多噸鋼材。

        “望遠(yuǎn)鏡反射面總面積為25萬(wàn)平方米,相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。盡管反射面板才1毫米厚,也用掉2000多噸鋁合金?!蓖鯁⒚髡f(shuō)。

        但大射電望遠(yuǎn)鏡絕不是金屬堆砌的“傻大粗”,它是最精密的天文儀器。由于采用光機(jī)電一體化的饋源平臺(tái),加之饋源艙內(nèi)的并聯(lián)機(jī)器人二次調(diào)整,它在饋源與反射面之間無(wú)剛性連接的情況下,可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)指向跟蹤,確保精確地聚集和監(jiān)聽(tīng)宇宙中微弱的射電信號(hào)。

        大射電望遠(yuǎn)鏡的建造工藝也是精益求精。王啟明說(shuō),由于嚴(yán)苛要求,這個(gè)大科學(xué)工程推動(dòng)了多領(lǐng)域裝備制造能力的提升:

        ——主動(dòng)反射面的索網(wǎng)具備高彈性、抗拉伸、抗疲勞特征,其500兆帕的超高應(yīng)力幅,是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的2.5倍;

        ——幫助反射面變位的2000多個(gè)液壓促動(dòng)器通過(guò)伸縮實(shí)現(xiàn)精確定位、協(xié)同運(yùn)動(dòng),還可將自身各項(xiàng)狀態(tài)信息上報(bào)給控制系統(tǒng),滿足適時(shí)跟蹤、換源等運(yùn)動(dòng)要求;

        ——承擔(dān)著傳輸各種數(shù)據(jù)信息使命的動(dòng)光纜可經(jīng)受反復(fù)彎曲、卷繞和扭轉(zhuǎn)等機(jī)械性能和惡劣自然環(huán)境考驗(yàn)。

        “我們的最初設(shè)計(jì)理念源自美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。但跟阿雷西博相比,主動(dòng)反射面系統(tǒng)是我們最大的創(chuàng)新?!迸聿f(shuō),大射電望遠(yuǎn)鏡的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以隨著天體的移動(dòng)變化,帶動(dòng)索網(wǎng)上的4450個(gè)反射單元,在射電電源方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面,極大提升觀測(cè)效率。

        阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是固定望遠(yuǎn)鏡,只能通過(guò)改變天線饋源的位置掃描天空中的一個(gè)約20度的帶狀區(qū)域。而主動(dòng)反射面讓中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡擁有更廣的觀測(cè)范圍,能覆蓋40度的天頂角。

        大射電望遠(yuǎn)鏡的工作頻率比較廣。彭勃說(shuō),饋源艙內(nèi)配置了覆蓋頻率70MHz~3GHz的多波段、多波束饋源和接收機(jī)系統(tǒng)。

        中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)鄭曉年說(shuō),100米口徑的德國(guó)波恩望遠(yuǎn)鏡曾號(hào)稱“地面最大的機(jī)器”,中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡與它相比,靈敏度提高約10倍。300米口徑的美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡,50多年一直無(wú)人超越,中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡跟它相比,綜合性能提高約10倍。

        能否尋找地外文明?答案是肯定的

        “跟其他射電望遠(yuǎn)鏡一樣,中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡最主要的兩大科學(xué)目標(biāo)是巡視宇宙中的中性氫和觀測(cè)脈沖星,前者是研究宇宙大尺度物理學(xué),以探索宇宙起源和演化,后者是研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律?!编崟阅暾f(shuō)。

        地球大氣層留給人類探索宇宙兩個(gè)窗口,一個(gè)是光學(xué),一個(gè)是射電。對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō),如果光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是顯微鏡,那么射電望遠(yuǎn)鏡就是CT機(jī),可以獲得天體的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。

        2014年8月21日從FAST饋源艙處拍攝的天空

        2016年6月28日從FAST饋源艙處拍攝的天空

        “有7套接收機(jī),因?yàn)椴煌牟ǘ斡^測(cè)的頻率不一樣,觀測(cè)和研究目標(biāo)就不一樣?!迸聿f(shuō),在大射電望遠(yuǎn)鏡眼中,宇宙和宇宙天體是一種立體的呈現(xiàn)。

        半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),全世界所有射電望遠(yuǎn)鏡收集的能量尚翻不動(dòng)一頁(yè)紙,中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡的加盟將大大加快這一速度。而收集的能量,意味著解讀宇宙深處奧秘的信息量。

        “從射電望遠(yuǎn)鏡誕生至今,人類共發(fā)現(xiàn)了約2500顆脈沖星,如果中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡的工作時(shí)間全部用于觀測(cè)脈沖星,它一年時(shí)間內(nèi)就有望將這個(gè)數(shù)量翻倍?!迸聿f(shuō),脈沖星可以用于脈沖星導(dǎo)航、脈沖星計(jì)時(shí)陣等應(yīng)用目標(biāo)。

        南仁東認(rèn)為,大射電望遠(yuǎn)鏡還有可能會(huì)發(fā)現(xiàn)一些前所未見(jiàn)的脈沖星現(xiàn)象,比如說(shuō)一個(gè)脈沖星和一個(gè)黑洞結(jié)對(duì),那么就可能產(chǎn)生突破性的理論。

        物理學(xué)發(fā)展中的每一次小小的進(jìn)步,都伴隨著極大的艱難與曲折。但在人類文明進(jìn)步的每個(gè)階段,物理學(xué)始終站在解放生產(chǎn)力的前沿。彭勃說(shuō),科學(xué)家利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)引力波,并獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),中國(guó)大射電望遠(yuǎn)鏡則為自然科學(xué)特別是物理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域提供了重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。

        “針對(duì)大眾十分關(guān)心的大射電望遠(yuǎn)鏡能否用于尋找地外文明,答案是肯定的。”彭勃表示,它是探測(cè)系外行星尤其是類地行星的利器。由于靈敏度提高,它能看到更遠(yuǎn)、更暗弱的天體,通過(guò)探測(cè)星際分子、搜索可能的星際通訊信號(hào),尋找地外文明的幾率比現(xiàn)有設(shè)備提升了5~10倍。

        在7月3日饋源艙升艙和反射面板按計(jì)劃完成安裝后,大射電望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行2個(gè)多月的系統(tǒng)調(diào)試,于9月底正式竣工投入使用。但要實(shí)現(xiàn)所有功能參數(shù)最優(yōu)化,它還要在兩三年的觀測(cè)中不斷調(diào)試完善。

        “大射電望遠(yuǎn)鏡建成后將成為中國(guó)天文學(xué)研究的‘利器,在未來(lái)10~20年保持世界一流設(shè)備的地位。”鄭曉年說(shuō),“希望中國(guó)科學(xué)家盡快利用它出成果?!?

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