世界上最大口径的球面射电望远镜反射面单元吊装工程完工

摘要

据新华社7月3日电,位于贵州黔南州平塘县大窝凼(dàng,水坑、塘的意思)的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,缩写FAST)的最后一块反射面单元3日成功吊装,这标志着FAST主体工程顺利完工。

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据新华社7月3日电,位于贵州黔南州平塘县大窝凼(dàng,水坑、塘的意思)的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,缩写FAST)的最后一块反射面单元3日成功吊装,这标志着FAST主体工程顺利完工。

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(FAST俯瞰,图据新华社)

总投资近12亿元人民币的FAST工程是中国迄今为止最大的天文工程。从1994年提出这个工程的构想开始,整整一代中国射电天文学家为了它殚精竭虑。那么,为什么要制造这个反射面总面积为25万平方米(相当于30个标准足球场的面积)、耗掉上万吨钢材(用于制作圈梁、索网和高塔)和2000多吨铝合金(用于制作厚度1.5毫米的反射板)的大家伙呢?为什么要选在贵州大窝凼建造它呢?它和世界同类科学设施比,有哪些特点和优势呢?

 

这就要从射电天文学的诞生说起。众所周知,天文学是一门严重依赖观测手段和观测工具的科学——人类用肉眼观天几千年的成果,伽利略用一架4厘米口径的自制望远镜就轻松超越。1932年,美国贝尔实验室的无线电工程师央斯基在工作中发现了来自银河系中心的无线电信号,从而为天文学开辟了一片广阔的新天地,射电天文学就此诞生。

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(央斯基所用天线的复制品,图据维基百科)

上世纪60年代著名的天文学四大发现(类星体、脉冲星、星际有机分子和微波背景辐射)就是射电天文学初露锋芒的杰作。不仅如此,射电天文学家还利用21厘米波长的无线电波能穿越星际尘埃的特点,首次成功绘出银河系的旋臂结构,从而加深了我们对自身在宇宙中所处位置的了解。

 

但是来自天体的无线电信号的能量是非常微弱的,天文学家形象的指出,自射电天文学诞生以来,地球上所有射电天文望远镜收集的无线电信号能量合起来和冬天一片下落的雪花的动能相当。要探测到更远因此也更微弱的信号,我们只有一个办法:增加天线的直径。为此,世界上射电天文望远镜的口径越做越大,从9.5米迅速增大到25米、50米乃至100米。目前世界上最大的全可动射电天文望远镜口径是100米,分别是位于德国波恩的埃菲尔斯伯格射电望远镜(1972年建造)和位于美国的绿岸射电望远镜(2000年建造),这种类型的射电望远镜我国目前最大的是位于上海的口径65米的“天马”射电望远镜(2014年建造)。天马望远镜是亚洲最大的射电镜,面积相当于8个篮球场,8个篮球场那么大的一两千吨的巨型抛物面天线在空中旋转自如,可以想象那个场景是何等的壮观。

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(美国绿岸射电望远镜)

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(德国埃菲尔斯伯格射电望远镜)

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(中国上海“天马”射电望远镜)

壮观固然壮观,但由于工程技术上的难度太大,所以全可动的射电望远镜的口径不可能做得太大。射电天文学家退而求其次,建造固定式的射电望远镜天线,它随着地球自转,可以收集经过它上空的的天体的无线电信号。最著名的固定式射电望远镜是位于美属波多黎各的阿雷西博(Arecibo)射电望远镜,它建造在一个火山口上,直径305米,经过扩建后直径达到了350米。从1963年建成起,它一直保持着世界上口径最大的球面射电望远镜的头衔,然而在2016年,这个记录将被我国的FAST打破。

 

早在上世纪90年代中期,中国射电天文学家就组成射电“大望远镜”中国推进委员会,提出利用贵州喀斯特洼地建造球反射面天线的射电望远镜工程的概念。在望远镜寻址过程中,天文学家们通过卫星遥感照片把贵州喀斯特山区翻了个底朝天。当时有两家科研院所分别在400多个候选洼坑中海选,结果位于贵州省黔南州平塘县的大窝凼在两份名单中都排在最前面。大窝凼的优势是大小适中,深度合适,形状很圆,有利于施工建设。这个洼地附近5千米半径内没有一个乡镇,25千米半径内只有一个县城,无线电干扰较少,观测条件优越。洼地内有一个12户65口人的贫困村,为了工程建设和改善他们的生存环境,村民们被集体移民到了镇上。

 

2007年7月FAST正式立项,2011年3月正式动工,经过工程技术人员4年努力,2015年8月开始铺设反射板。它的天线由4450块、186种大小不同的三角形反射板组成,和阿雷西博望远镜不同的是,它的反射板可以在2000多个液压促动器的辅助下上下移动和改变形状,虽然整体上天线是球面,但通过部分反射板微移和变形,它可以等效于一个300米口径的抛物面天线,能够实现毫米级的指向跟踪精度。由于这项创新的技术设计,它能够观测头顶40度范围内的天空,而阿雷西博射电望远镜只能观测约20度范围,换句话说,它的视野比阿雷西博开阔,这就预示它能观测更多的天体。

 

无线电工程师还为FAST配备了超灵敏的接收器,在它的L-波段,采用了19波束多波束馈源,与单馈源望远镜相比,观测效率提高19倍。为了减少噪音,接收机低噪音前置放大器工作在10-20K(零下263℃-零下253℃)的低温环境。进行观测时,将相应波段的馈源移至距地面140米高的主反射面焦点,接收汇聚的无线信号。馈源接收到的信号经极化器分解为相互正交的两路偏振信号,然后分别进入后续的低噪音放大器。低噪音放大器将信号放大到足够的倍数,然后通过滤波器选择所需的频段。滤波后的信号被后续的射频放大器进一步放大后,经混频器混频,再经低通滤波和中频放大后得到中频信号。为减少损耗,中频信号会先转换成光信号,然后通过光纤将调制后的光信号传输到位于地面的观测室,光信号在观测室内通过光电转换还原为中频信号,提供给数据后端进一步处理。数据后端将通过高速采样和模数转换将电信号转换为数字信号,然后利用强大的计算机集群进行数据分析和处理。

 

FAST预计在2016年9月完全建成。届时它将能够将中性氢观测(也就是对21厘米波长的无线电波的观测)延伸至宇宙边缘,这意味着我们将能“看到”宇宙早期的图像;预期它能在一年内发现数千颗脉冲星,建立脉冲星计时阵,参与未来脉冲星自主导航(应用在星际航行中)和引力波探测;它还能参与和主导国际甚长基线干涉测量网,从而获得天体超精细结构图像,甚至直接为近邻恒星系统中类似木星的行星成像;当然,它还可以参与地外文明搜寻。

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(从大窝凼凼底透过FAST天线反射板拍摄的星空,拍摄者:张超 图据中国国家天文)

让我们期待FAST获得激动人心的科学成果的那一天!

(部分资料来自FAST项目官网)

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目前评论:1   其中:访客  1   博主  0

  1. avatar 赶英超美 3

    赶英超美 ,来个科学大跃进,世界第一了,自豪

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