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中国“天眼”睁开,探测宇宙边缘搜寻地外文明

2019/9/12 16:48:13

中国“天眼”睁开,探测宇宙边缘搜寻地外文明

北纬25.647222度,东经106.85583度,贵州省黔南州平塘县克度镇金科村大窝凼。这不仅仅是一个地理座标,更是一个科学大征程的起点。9月25日,由中国科学家设计、制造、施工的世界最大单口径射电望远镜(Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope,简称FAST)落成启用。

 

 

凭借500米口径、相当于30个足球场的接收面积,FAST在灵敏度和综合性能上,也创下了世界之最——与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与发现引力波、被评为人类20世纪十大工程之首的美国“阿雷西博”350米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。理论上说,FAST能接收到137亿光年以外的电磁信号,这个距离接近于宇宙的边缘。

 

获取更多关于宇宙的新知

 

四周山峦叠翠,像是农家垒起的灶头。正当中,是一口银色的“大锅”,远处雾气迷蒙,仿佛炊烟袅袅。假如用它满满煮上一锅饭,足够全世界70多亿人聚在一起吃3天。

 

记者爬上100多米高的山头,俯视之下的FAST,宏大带点神秘,斜拉着的钢索结构张扬着一种力学的美。同样是在这里,10多年前,中国科学院国家天文台FAST工程首席科学家南仁东就站在这个大窝凼中间,兴奋地说:“这里好圆。”

山峦中的一口“大锅”

 

科学家在这个大窝凼,造这口圆圆的“大锅”干什么?“遥远的宇宙信号就像雷声中的蝉鸣,没有超级灵敏的’耳朵’,根本就分辨不出来。”南仁东说。对于天文观测来说,宇宙太浩瀚,目标太遥远,因此天文学家总是希望建设更大更灵敏的望远镜。

 

FAST落成之后,将进入调试和试观测阶段,力争验收之前把其性能调到最优化。在不远的未来,FAST的主要科学目标正是当今射电天文的三大主流热点方向:巡视宇宙中的中性氢,以探索宇宙起源和演化;观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律。人类至今发现了约2500颗脉冲星,如果FAST的工作时间全部用于观测脉冲星,一年内就有望将这个数量翻倍,还有可能发现一些前所未见的脉冲星现象,比如说一个脉冲星和一个黑洞结对,那么就可能产生突破性的理论;探测星际分子,开展地外文明的探索,为人类获取更多关于宇宙的新知。

 

半个多世纪以来,全世界所有射电望远镜收集到的能量还翻不动一页纸,FAST将大大加快这一速度。而收集的能量,意味着解读宇宙深处奥秘的信息量。

 

这台世界最大的单口径望远镜设计寿命30年,将在未来10到20年保持世界一流设备的地位,并将吸引国内外一流人才和前沿科研课题,成为国际天文学术交流中心。

 

令人惊叹的中国智造

 

对于平塘人来说,FAST是他们最熟悉的英文,言语间就像谈论自家厨房的锅一样。不过,这口“大锅”非比寻常。正式开工5年来,数千科学家、工程师和建设者们在这寂静的山谷里,挥洒着他们的智慧和才情。

 

对于一个500米口径的望远镜来说,如果往地底下挖个台基,可能需要几十亿元。把它建在浑然天成的喀斯特洼坑里,还保留底部的植物生态,这不能不说是一次有趣的科学尝试。此为FAST的自主创新技术之一。

 

尽管是个“重量级选手”,FAST却能轻盈地“起舞”。洼坑内铺设的4450块反射面板组成了一个球冠状主动反射面,在接收射电信号时可以“摇曳”形成最大300米口径的瞬时抛物面,使望远镜接收机与传统抛物面天线一样处在焦点上。如果把FAST比作一只“天眼”,它的眼球直径达500米,而负责接收光线的眼珠直径就有300米,还能“骨碌”地转动。这一极富想象力的反射面板设计,为FAST的自主创新技术之二。

4450块反射面板组成了一个球冠状主动反射面,在接收射电信号时可以“摇曳”形成最大300米口径的瞬时抛物面

 

即使发现引力波的美国阿雷西博望远镜对此也是“望尘莫及”,因为它是固定望远镜,只能通过改变天线馈源的位置扫描天空中一个约20度的带状区域。而FAST的主动反射面能覆盖40度的天顶角。也就是说,这口“大锅”的锅底并不是固定在山谷底部的,而是由一套索网结构拉起来,随着天体的移动发生变化,形成瞬时抛物面,极大提升观测效率。

 

FAST工程的索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系,其500兆帕的超高应力幅,是国家标准的2.5倍。一般的钢索,包括斜拉桥上的钢索,其强度都是200兆帕,考虑到FAST的钢索需要经常调换角度不断拉伸,设计人员提出了安装强度为500兆帕、200万弯曲次数的钢索。经过工程团队的不懈努力,实现了这一目标。2015年,FAST圈梁及索网工程还获得“中国钢结构协会科学技术奖”特等奖。

 

FAST有着相当于30个足球场的接收面积,所有信号最后都聚集在一个指甲盖大小的空间里,一个庞然大物要实现头毫米级精度,可谓前所未有。FAST采用了轻型索拖动机构和并联机器人,实现了接收机的高精度定位。此为FAST的自主创新技术之三。

图为30吨的馈源舱,它采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现了接收机的高精度定位

 

FAST工程总工艺师王启明介绍,十几米长的索,误差不准超过1毫米,生产流程必须用恒温装置,确保所有材料在20摄氏度温度场生产。 “6根索拉着馈源舱移动,已经降到48毫米的位姿精度仍不能确保望远镜指向精准。” 外观像个飞碟的馈源舱是用来接收宇宙外来信号的装置系统,不精准不行,于是科研人员在馈源舱内安装了并联机器人用于二级调整,最终调整定位精度为10毫米,可以接收70M赫兹到3G赫兹的外来信号。

 

站在FAST旁,记者依然难以想象这个工程究竟是怎么完成的。这里极其特殊的高度、跨度、坡度和斜度虽然让常规机械设备没有了用武之地,却激发出了如此之多的中国智造。

 

“与老百姓担心的恰恰相反,我们对环境没有干扰,而是我们怕干扰。” FAST工程副经理张蜀新说。由于FAST望远镜的灵敏度非常高,极易受到电磁干扰,随着FAST的落成启用,其周边宁静的电波环境需要得到保护,以保障FAST正常运行和科学产出。

 

射电望远镜科普小知识

千百年来人类只是通过可见光波段观测宇宙,而实际上天体的辐射覆盖整个电磁波段。与通讯用微波天线相似,射电天文望远镜通常由三个主要部分构成:汇聚电磁波的反射面、收集信号的接收机以及指向装置。由于无线电波可穿透宇宙中大量存在而光波又无法通过的星际尘埃介质,因而通过观测射电信号可以帮助人类探知更遥远的未知宇宙。

 

20世纪60年代天文学取得了四项非常重要的发现:脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子,这些发现都与射电望远镜有关。诺贝尔奖基于天文观测的10项获奖成果中有6项出自射电望远镜。

 

摄影  黄海华  题图来源:新华社  图片编辑:苏唯