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观星河耿耿,听宇宙风声

来源:新华网 作者: 2016年09月26日 10:44
[导读] 25日,世界上最大的单口径巨型射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县宣布落成启用。

25日,世界上最大的单口径巨型射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县宣布落成启用。

这个中国最大的天文工程,将倾听来自遥远宇宙最轻柔的“呢喃”:能够接收到137亿光年以外的电磁信号,获取并分析各种宇宙信息,挖掘隐藏在星空深处的无穷奥秘。

既是世界上最大的单口径巨型射电望远镜,也拥有国际一流的灵敏度和综合性能

FAST给人的第一感觉就是大:直径500米,高差173米,从空中俯瞰,它就像一口由群山环抱的“超级大锅”。

“锅面”——巨大的球冠形反射面;“锅”正中央悬空的“盒子”——馈源舱;支撑“锅”的无数道线——索网等支撑结构。一点一面多线,看似纤细简单,却牢牢撑起了这个庞然大物,并保障了其高超的灵敏度和综合性能。

洼坑内铺设的500米球冠状主动反射面是FAST望远镜的关键组成部分,共有4450块反射面板单元,有近30个足球场大。每块反射面单元边长为10.4米至12.4米,重427.0千克至482.5千克,厚度约1.3毫米。“由索网结构支撑的反射面通过反射聚焦,将射电信号聚拢到一点上。铺设一块块反射面单元就花了11个月。”FAST工程总工艺师王启明说。

索网结构会随着天体的移动自动变化,带动钢索网上活动的4450个反射面板产生变化。“球冠反射面在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面,将望远镜接收机移动到抛物面的焦点上,可以观测到40°天顶角内任意方向的天体。”

射电信号聚焦的一点就是“锅底”正上方悬挂的馈源舱,馈源舱下平台安装着FAST用来接收宇宙外来信号的馈源接收机,通过它把数据传输出去。“与国外的射电望远镜不同,FAST的馈源舱可以移动。”FAST工程馈源支撑系统副总工李辉说,“我们的创新之处还在于,将一直以来万吨级的馈源平台重量降至30吨。”

“没有精密测控,FAST会变成瘫痪的植物人。”FAST工程测量与控制系统总工朱丽春说,以馈源舱的测控精度为例,进行观测时,仅仅一个移动舱体的简单过程,都要经过三级精密测控。“大锅”里还伫立着24个放置激光全站仪的基墩,这是进行位置基准的重要设备,工程师们用梅花桩将其打到了地面的基岩,经过3年测试,达到了1毫米的稳定性。

与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST望远镜灵敏度提高约10倍;与美国“阿雷西博”305米望远镜相比,其综合性能提高约10倍,并将在未来10年到20年保持国际一流设备的地位。

选址始于1994年,从前期选址到设计研发、后期维护都由中国科学家完成

“从选址开始,FAST的建造就充满艰辛不易。”台址与观测基地系统总工程师朱博勤说。作为我国自主知识产权的大科学装置,FAST由中国科学家创新设计、研发制造、组织施工。

FAST选址工程始自1994年。“这是件异常复杂的事情,既要考虑电磁波环境、地质条件,还要考虑造价问题。”朱博勤回忆,“在排除了火山口、矿坑和陨石坑等低洼地形后,锁定了喀斯特地貌。”科学家们总共考察了400多个洼地,经过反复比较论证,最终选定贵州省平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地。“我们确认,这里是建造FAST最完美的地点。”

此后,FAST的创意经过10多年反复锤炼,其间对主动反射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精度的测量与控制、接收机等多项关键技术开展了长达14年的合作研究,凝聚了来自多家科研单位的众多中国科学家的创新研究。

为了做好FAST的后期维护,FAST的细节处处透露着科学家的用心。凑近大锅“锅面”观察,三角形的反射面板是白色半透明的,布满了小孔。侧耳倾听,还有微风穿过面板产生的轻微哨声。“每块面板的50%面积都是镂空的。”王启明说,考虑到贵州多雨的气候,这种设计能够让雨点穿过面板,落入地面,不会影响反射面。“漂浮物和小颗粒可以通过面板直接过滤,大的物体也能被定期直接清理。这种透风的设计,还能够减少大气流动对电波接收的干扰,透光的性能也不妨碍‘锅底’植被的生长,可谓一举多得。”王启明说,这种工艺并不会影响观测效果。

FAST的灵敏度非常高,极易受到电磁干扰。“除了对望远镜进行电磁屏蔽专项设计,还要保护台址周边宁静的电波环境。”FAST工程副总经理、办公室主任张蜀新说,为保护FAST免受电磁干扰,2010年12月电磁兼容工作组成立,负责电磁环境的保护和无线电干扰的协调。贵州省也制定了《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》,已于2013年起实施。“未来人们想要进入FAST区域,是绝对不允许携带手机和照相机等电子设备的。”

能观测到更多天体,有助于研究宇宙起源、寻找地外文明

“建设射电望远镜,越大越好。”王启明说。FAST望远镜的灵敏度,也就是观测暗弱天体的能力,和其口径的二次方成正比。其可观测宇宙空间的体积,即大约可观测的天体数目,和其口径的三次方成正比。“FAST投入使用后,可观测的天体数目将大幅度增加,可为科学家提供更多更好的观测统计样本。”

身形庞大的FAST背负重大科学任务。据FAST工程副总工艺师孙才红介绍,FAST将观测宇宙中的中性氢,“这有助于研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化。”脉冲星观测也是FAST的重点,“脉冲星是恒星演化的最后阶段,通过对它的观测可以研究极端状态下的物质结构与物理规律”。此外,还要研究主导国际低频甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构。“FAST也担负着寻找地外文明的任务,探测星际分子,搜索可能的星际通讯信号,包括大家最感兴趣的外星人。”孙才红说。

未来3至5年,FAST的重点工作是调试和试观测工作。“并不是说今天建成了,明天就能立刻‘下锅炒菜’。”朱博勤说,对于系统高度复杂的FAST来说,建成并不代表了它的性能已经达到了最优。

“反射面由球状变为抛物面的变形过程,以及馈源舱的移动精度,都还需要进一步调试。”据他介绍,科学家们还将利用FAST对已被发现的脉冲星进行观测,以此验证望远镜的各项指标,为发现新的脉冲星做准备。“科学家总是希望能够获得高质量的观测数据,所以未来将通过调试和试观测,以达到望远镜的最佳性能。我们当然也期待过程中会有一些令人惊喜的发现。”

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[责任编辑:杨帆]
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