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        FAST的前世今生

        2017-11-01 18:15:52RichardStrom國(guó)際知名天文學(xué)家翻譯姚景云楊勝良
        鄉(xiāng)村地理 2017年1期
        關(guān)鍵詞:拋物線

        文/Richard G. Strom(國(guó)際知名天文學(xué)家) 翻譯/姚景云 楊勝良

        FAST的前世今生

        文/Richard G. Strom(國(guó)際知名天文學(xué)家) 翻譯/姚景云 楊勝良

        Astronomers all over the world eagerly await the opening and first results from FAST!

        >>摘要 全世界所有的天文學(xué)家們正面對(duì)FAST的運(yùn)行和因此得來(lái)的首期效果翹首以盼。

        位于波多黎各一個(gè)喀斯特大坑中的美國(guó)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡——曾經(jīng)是世界上最大的觀測(cè)工具,是二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)影響深刻的一個(gè)重大事件。它五十年前初具成形,隨后不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。如今FAST橫空出世,它不僅具備阿雷西博的許多特點(diǎn),同時(shí)又進(jìn)行了大量技術(shù)創(chuàng)新,因而顯得無(wú)與倫比:

        1.球面直徑達(dá)500米(阿雷西博僅305米),其中可用直徑達(dá)300米(阿雷西博只有200米)。

        2.外觀呈碟形碗狀,使得FAST能觀測(cè)到更廣闊的天區(qū),甚至包括整個(gè)北半球。

        3.FAST球面可以從球狀微調(diào)為拋物線狀,這是一項(xiàng)特別的創(chuàng)新。這種理想的形式能把從宇宙間收集到的無(wú)線電信號(hào)集中到某一個(gè)焦點(diǎn)上。

        所有這一切是如何產(chǎn)生的呢?我們先來(lái)簡(jiǎn)短地回顧一下FAST工程“前世”。

        當(dāng)北京天文臺(tái)幾個(gè)射電天文學(xué)家在中國(guó)射電天文學(xué)之父王綬琯教授的鼓勵(lì)下,積極尋找一種可能的設(shè)備替代現(xiàn)存的射電望遠(yuǎn)鏡,F(xiàn)AST的概念便應(yīng)運(yùn)而生。

        借鑒阿雷西博的經(jīng)驗(yàn),天文學(xué)家們認(rèn)為中國(guó)西南地區(qū)擁有豐富的喀斯特地形,這為修建一個(gè)大型單面射電望遠(yuǎn)鏡提供了絕佳的條件,F(xiàn)AST的構(gòu)想逐漸形成。

        1994年,通過(guò)對(duì)備選地喀斯特洼地監(jiān)測(cè)顯示:貴州山地間蘊(yùn)藏著建造大型固定球面反射器的巨大潛力。一年后,一個(gè)國(guó)際研討會(huì)專門(mén)討論了FAST實(shí)現(xiàn)的可能性和存在的問(wèn)題。這個(gè)項(xiàng)目最終獲得官方認(rèn)可、籌集到足夠資金、完成所有設(shè)計(jì)的篩選論證,歷時(shí)十余年之久。所以,直到2011年,工程才正式啟動(dòng);翌年,工程初見(jiàn)成效。

        大體說(shuō)來(lái),這就是FAST的孕育過(guò)程。其實(shí),在阿雷西博修建之前,世界射電天文學(xué)家就一直在尋求一種以最小代價(jià)獲取最大信息的望遠(yuǎn)鏡建設(shè)方案。1947年,英國(guó)在焦德雷爾班克建立第一個(gè)觀測(cè)鏡,它由多根木柱組成網(wǎng)絡(luò)支架,高高撐起一面拋物線狀反射面。反射面直徑66米(英制218英尺),從球面反射回來(lái)的宇宙射電信號(hào)聚焦于固定在高大天線桿終端的雙極子天線上,從而達(dá)到對(duì)太空信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

        1951年,在荷蘭北海對(duì)面,射電工程師們利用一個(gè)現(xiàn)存的沙坑為底,沿它表面澆鑄水泥結(jié)構(gòu)拋物面,再在拋物面上布排22米直徑的電線網(wǎng)眼。這種電線網(wǎng)眼可接收來(lái)自天體的電波,并將它定向反射到焦點(diǎn)上。和焦德雷爾班克望遠(yuǎn)鏡一樣,荷蘭望遠(yuǎn)鏡也只能利用地球自轉(zhuǎn),掃射天空一個(gè)帶狀區(qū)域,進(jìn)行單向觀測(cè)。但是在這個(gè)沙坑反射面上,科學(xué)家們進(jìn)行了一項(xiàng)微小的技術(shù)革新,通過(guò)傾斜拋物線表面約10度的軸,使一束最亮的射電源穿過(guò)鏡面橫梁。

        在南半球,澳大利亞射電天文學(xué)家通過(guò)一個(gè)安裝在悉尼附近的固定反射體觀察到銀河系中心每天都會(huì)運(yùn)行到達(dá)一個(gè)制高點(diǎn)。這個(gè)固定反射體是一面“地下孔洞”天線,由一群天文學(xué)家用鏟子挖掘出一個(gè)淺沙坑,然后在上面鋪上裸露的金屬線連接起來(lái)構(gòu)成。它高居在多佛高地一處懸崖頂部,可以俯瞰遠(yuǎn)望悉尼港入口處的許多地方。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡用來(lái)研究銀河系的原子能區(qū)域,成功地使用了許多年。

        焦德雷爾班克66米高天線、荷蘭20米天線、悉尼多佛高地22米天線的原理,和現(xiàn)在許多還在持續(xù)運(yùn)行的射電望遠(yuǎn)鏡一樣,都是把拋物線反射面接收到的射電信號(hào)集中反射到某一焦點(diǎn)上。如果想把望遠(yuǎn)鏡指向天空的任何位置,就必須要調(diào)整鏡體的位置。但是,這個(gè)有固定表面的鏡體幾乎是無(wú)法調(diào)整的。1965年,一種新的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)使這種想法成為可能。擁有固定球面鏡體的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡,借助地理方面的優(yōu)勢(shì),能將所有穿過(guò)球面中心的射線,集中于球面的同一位置,而不再局限于單向觀測(cè),雖然有一些誤差(球面偏差),但已能輕易、快捷、直接地獲得糾正,就像在文章開(kāi)頭提到的那樣,F(xiàn)AST向前邁進(jìn)了一步。全世界所有的天文學(xué)家們正面對(duì)FAST的運(yùn)行和因此得來(lái)的首期效果翹首以盼。

        (責(zé)任編輯/黃莎莎)

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