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領略“中國天眼”的獨特魅力

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  領略“中國天眼”的獨特魅力

  隨著人類科學技術的進步,遙望“宇宙之光”的天文學在20世紀30年代,衍生出新的分支學科——射電天文學。盡管這是一個年輕學科,但發展至今,已經產生了6項相關的諾貝爾獎。上世紀的“四大天文發現”——類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射都是利用射電觀測手段測得的。射電天文學堪稱孕育重大天文發現的搖籃,在國際天文學界已成共識。

  何為“射電”?它其實是天文學中的獨有說法,指的是來自天體的無線電波。曾幾何時,世界領先的射電天文望遠鏡均由歐美國家建造。2016年,500米口徑球面射電天文望遠鏡(英文簡寫“FAST”)在貴州省平塘縣建成,我國在相關領域跨入了世界先進行列。

  FAST是中國之最,也是世界之最,它由我國天文學家南仁東帶領的團隊于1994年提出構想,中國科學院國家天文臺主導建設,具有我國自主知識產權,是當今世界最大單口徑、最靈敏的射電天文望遠鏡。

 

  今天,讓我們一起走近這個遙望星空的國家大工程——“中國天眼”FAST。

  登高遠眺,感知“天眼”規模之大、能力之強

  從1937年世界上第一架口徑9.5米的射電天文望遠鏡建成至今,射電天文望遠鏡的口徑不斷增大,這是因為它的靈敏度與其反射面口徑成正比。人類要想不斷探索遙遠深邃宇宙中的奧秘,就必須研制更大口徑的射電天文望遠鏡。

  被稱為世界最大單口徑射電天文望遠鏡的“中國天眼”,其反射面是由4450塊、186種大小不同的三角形反射板組成,每塊板的平均邊長約為11米,其反射面總面積相當于30個標準足球場那么大。

  從1994年啟動選址,到2011年動工,再到2016年竣工,建設者們用了22年時間,建成了這座舉世矚目的“中國天眼”。

  大家可能會想,“中國天眼”除了大,還有什么獨特之處呢?捕獲“天外之聲”,探析宇宙奧秘,它有能力間接觀測暗物質和暗能量,可從宇宙起源到星際介質的探索、對暗弱脈沖星及其他暗弱射電源的搜索、對地外理性生命的搜索等方面,實現科學技術的重大突破。

  作為射電天文望遠鏡,“能捕捉到更微弱的信號”才是核心能力所在。所以,“中國天眼”最為突出的,就是其超強的靈敏度。正如我國著名光電子學家王啟明所說:“假設你在月球上打電話,FAST就可以探測到你的信號。”由于勝人一籌的靈敏度,FAST能探測到更暗弱的天體。

  美國物理學家約瑟夫·泰勒曾介紹,自己在美國阿雷西博305米口徑射電天文望遠鏡的幫助下,與另一學者共同發現了雙星系統脈沖星,繼而利用該望遠鏡進行長期觀測,為引力波的存在提供了堅實的證據,于1993年獲得諾貝爾物理學獎。有關科學家說,FAST與被評為人類20世紀“十大工程”之首的美國阿雷西博305米口徑射電天文望遠鏡相比,靈敏度提高2倍。

  中國科學院國家天文臺副臺長鄭曉年也表示,作為世界最大的單口徑望遠鏡,FAST將在未來10至20年內保持世界一流設備的地位。

  深空狩獵,科學家們特別希望FAST能夠發現銀河系外新的天體,特別是快速旋轉、密度極高的脈沖星。如果FAST能發現河外星系中的射電脈沖星,將在國際上具有開創性意義。

  據了解,雖然建成的時間不長,但FAST工程的技術團隊已開始著手進行相關觀測。

  置身其中,感知“天眼”設計之精、工程之巧

  如果有幸能夠走近“中國天眼”,那么你一定會被其各個環節的精巧設計所震撼。

  “中國天眼”有著數不盡的“神工天巧”,索網結構就是其中最亮眼的一個。作為主動反射面的主要支撐結構,其索網結構是反射面主動變位工作的關鍵點。它的一些關鍵指標,遠高于國內外相關領域的規范要求。例如,主索長度控制精度須達到1毫米以內,主索節點的位置精度須達到5毫米以內。其中,索構件疲勞強度不得低于500兆帕,相當于國際規范定值的2.5倍。因此,它被視為當今世界跨度最大、精度最高的索網結構。

  6670根主索、2225個主索節點及相同數量的下拉索,完整地拼出了FAST的索網。拼裝完成后,FAST的巨大反射面看起來就像一口“超級大鍋”,6個支撐塔高高豎起,網格逐漸爬滿了“鍋”底,向上延伸“咬住”環梁,反射面面板一圈一圈鋪滿索網的空隙,織完巨網。

  這一索網結構,是世界上第一個采用變位工作方式的索網體系。也就是說,索網可以根據觀測天體的方位,啟動促動器控制下拉索,在FAST反射面的不同區域形成直徑為300米的拋物面,以實現精確觀測。有人把這個可移動的拋物面形象地稱為“中國天眼”的“虹膜”。

  提到“虹膜”,就不得不再說說“中國天眼”的“瞳孔”——饋源艙。饋源是指射電天文望遠鏡用來接收天體信號的系統,饋源艙就是用于安放這個系統的平臺。

  美國阿雷西博射電天文望遠鏡的饋源平臺重近千噸,幾乎等于用固定軌道把平臺架設在半空。這樣的設計,雖有利于饋源的定位,卻縮小了觀測角度。FAST最終創新性地采取輕型索支撐饋源平臺方案,把饋源艙減重到30噸,由6條600多米長的鋼索吊在空中精準定位,誤差不超過48毫米。這樣的工程難度,世界上前所未有。

  “我們采用了光機電一體化技術,創新性地提出了輕型索支撐饋源平臺,并使用并聯機器人進行二次精調,實現高精度指向跟蹤。這也是FAST的‘三大自主創新’之一。”FAST饋源支撐系統總工程師朱文白說,“通過卷揚機收放鋼索,可以驅動饋源艙在一個距離地面高140米至180米、直徑為207米的球冠面上運動,最大定位精度小于10毫米。”

  FAST建設之精巧,還體現在選址上。科技人員利用平塘縣喀斯特漏斗洼地,依托當地獨特的山體優勢,順勢建成了“中國天眼”。

  “天然的喀斯特地形,可使雨水不會存積,與望遠鏡形狀接近的山體洼地,又可以令工程開挖量大大減少,從而節省工程造價。”國家天文臺高級工程師朱明介紹,科研人員對臺址選擇制訂了非常“苛刻”的篩選指標,既要研究臺址自身的巖體結構、水文情況、長短軸比例、挖填方率是否合適,還要考察臺址山形的閉合情況、幾何形狀是否達標,最后再綜合臺址地區的地質災害、地震風險、氣象條件、無線電環境等是否滿足條件。

  經過10余年的精挑細選和實地勘察,現址從一萬多個備選地點中脫穎而出。

  縱觀中外,感知“天眼”建設之快、影響之廣

  我國的射電天文學研究起步比國際上其他國家晚了許多年。“起步比別人晚,就要比別人花時間多一點、走得快一點,否則永遠趕不上。”FAST首席科學家、總工程師南仁東把生命中近三分之一的時光都奉獻給了FAST。

  1993年,國際無線電科學聯盟大會在日本東京舉行。有科學家提出,在全球電波環境繼續惡化之前,人類應該建造新一代射電天文望遠鏡,接收更多外太空的訊息。南仁東認為,這對中國來說是個千載難逢的好機會。“建造新一代射電天文望遠鏡”這個大膽的設想油然而生。然而,對于20世紀90年代初的中國來講,如此設想可謂“膽量超大”。

  盡管如此,南仁東還是毅然決然地選擇了堅持。他為找到一個合適的臺址,用了10余年時間走遍貴州的山山水水,實地考察了上百個窩凼。

  終于,2007年7月,FAST作為“十一五”重大科學裝置正式被國家批準立項。從那一天起,FAST就如同其英文縮寫的含義(快速)一樣,開始了快速建設之旅。

  FAST快在沒有延期一天。工程建設從2011年3月5日開工報告批復之日起,到2016年9月25日如期竣工,歷時2011天,全程沒有出過重大安全事故。

  FAST快在調試期不到兩年。大型望遠鏡的調試期一般超過4年,比如美國綠岸GBT望遠鏡(100米)花了6年,意大利SRT望遠鏡(64米)超過5年。

  FAST快在調試階段就已開始進行早期科學研究。在不斷校準“中國天眼”的“視力”過程中,中國天文學家們爭分奪秒地開展科學觀測。在望遠鏡還不能移動的情況下,他們就采用漂移掃描的方式,讓地球自轉帶著“中國天眼”巡天。建成還不到一年,FAST就實現了精確跟蹤觀測模式,驗證了它超高的靈敏度和望遠鏡效率。

  FAST快在調試階段就開始系統發現新脈沖星。目前已發現了90余顆脈沖星候選體。這歸功于科學團隊提前準備,對團隊成員進行了相應的觀測及數據處理訓練,開發了創新搜索軟件和數據庫……

  科技是國之利器,大科學裝置無疑是利器的鋒刃,是當之無愧的國之重器。

  22年鑄就而成的“中國天眼”,值得信賴,更值得期待!(韓阜業)

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