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中国“天眼”面向全球开放,成为“世界天眼”!你知道它究竟有多厉害
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来源:上观新闻 作者:李奇生 2021-09-17 06:04
摘要:中国“天眼”的建成,实现了我国射电望远镜从追赶世界到领先世界的跨越。

中国“天眼”即FAST射电望远镜,是世界上最大的单口径射电望远镜,于1994年提出设想,历经22年建成。“天眼”能让我们在宇宙中发现什么?请听国家天文台高级工程师、中国“天眼”现场办公室原副主任李奇生在“深圳市民文化大讲堂”上的讲述。以下为讲座主要内容。

『一门基于观测的学科』

天文学是研究宇宙的学问。

天文学有一个特点:它是一门基于观测的学科。宇宙天体离我们非常遥远,所以我们获得天体的信息只能通过观测。通过观测得到的结果,建立理论模型,再通过理论模型验证观测结果,如此反复循环,最终得到一个科学的理论模型。所以说,天文研究是基于一种推测而展开的。比如,在望远镜中看到的恒星,只是一个很小的闪烁的点。我们根据对它的亮度进行观测,发现它的亮度变化有一定的规律。于是,在这个恒星的亮度图上,我们就可以建立理论模型,初步推测这个点可能是两颗星绕在一起转。因为双星绕转时相互遮掩,所以它的亮度会出现有规律的变化。根据这种观测得出结论,天上的星星有将近一半是双星。

1825年,法国哲学家孔德曾经断言:“恒星的组成成分是人类绝对无法得到的。”然而,30多年后,科学家通过分光技术得到的恒星光谱,不仅知道了恒星的化学成分,还知道了恒星大气的温度、密度和压力以及恒星的自转、质量、磁场等物理量。

当然,我们也有解释不了的现象。1929年,美国天文学家哈勃用当时最大的胡克望远镜观测到星系的退行速度和距离成正比。这说明什么?说明我们的宇宙在膨胀。20世纪末,宇宙学家进一步的观测研究表明,宇宙在加速膨胀。然而,加速膨胀是需要能量的。这个能量是什么呢?我们目前还不知道,只能称其为“暗能量”。这是我们还解释不了的天文现象。

『望远镜的口径越造越大』

可以说,天文学的研究是依赖于观测设备的。天文学上取得的成就,都是和观测设备性能的提高密不可分的。有了好的望远镜,才能看到更加遥远、更加暗弱的天体,才能有新的发现。随着观测设备性能的提高,天文研究的内容也越来越广泛。

随着制造能力的提高,望远镜的口径越造越大。一开始的望远镜只有几十厘米的口径,后来逐渐出现了1米以上口径的望远镜。1918年投入使用的胡克望远镜,口径2.54米,位于美国加利福尼亚州洛杉矶市外的威尔逊山。通过这架望远镜,天文学家观测到宇宙在膨胀。口径5.08米的海尔望远镜位于美国加州帕洛马山上,于1948年建成,光镜面研磨就花费7年时间。这架望远镜的可移动部分达530吨重,作为当时最大的望远镜在世界上“统治”了很长时间。美国的凯克望远镜,第一次突破10米口径的量级。麦哲伦巨型望远镜的口径达25米,将于2025年在智利建成,其成像清晰度将达到哈勃太空望远镜的10倍。美国TMT望远镜的口径为30米,计划建于夏威夷莫纳克亚山,但目前项目受阻。E-ELT欧洲极大望远镜的口径达39米,是目前在建的最大口径光学望远镜,选址于智利的阿塔卡玛沙漠,计划2024年运营。

天文望远镜有两个参数,一个是灵敏度,一个是分辨率。灵敏度是指望远镜能接收到最弱信号的本领,通俗地说就是“看得见”的本领。分辨率则是指望远镜能分辨出最小细节的本领,也就是“看得清”的本领。

天文望远镜和我们人眼看东西是不一样的。人眼看见什么,就是什么,是不能累积起来的;而望远镜在跟踪天体的观测中,辐射不断地累积在探测器上,因此,观测的时间越长,越能看到更暗的天体。

『射电望远镜的问世』

1931年,一个名叫卡尔·央斯基的美国无线电工程师,在做无线电通信的干扰实验时发现,除了雷电的信号外,始终还有一种来历不明的信号干扰。经过仔细分析,他在1932年发表的文章中断言:这是来自银河系中心的射电辐射。他把这个结果告诉了天文学家,但当时并没有引起重视。

1937年,美国人G.瑞伯在自己家里潜心试制射电望远镜,并取得了成功。他建造的射电望远镜也是世界上第一架抛物面型射电望远镜。1939年,瑞伯验证了央斯基的发现,不仅银河系中心有射电辐射,宇宙很多地方都有无线电辐射。

第二次世界大战中,英国的许多军用雷达有时会同时受到干扰,而当太阳出现黑子时,干扰就更厉害。由此科学家断定,干扰来自太阳,说明太阳也有电波辐射。所有这些事实,使天文学家认识到,天体除了在可见光波段有辐射,在射电波段也有辐射。

至此,射电望远镜应运而生。随着制造能力的提高,射电望远镜的口径也越造越大。1957年建于英国的洛弗尔射电望远镜,口径为76米,它发现了第一例位于球状星云中的脉冲星。1961年建于澳大利亚的Parkes望远镜,口径64米,它后来发现了很多脉冲星。德国100米口径的波恩望远镜,建于1972年,重量达3200吨。    

美国的阿雷西博望远镜是世界上第二大单口径球面射电望远镜,于1963年建成启用,口径305米。位于美属波多黎各的阿雷西博望远镜,依山地地形而建造。但是从2020年开始,因为年久失修,先后有两根钢索断裂,同年12月,望远镜的接收机平台从高空坠落,把望远镜彻底砸毁了。

目前世界上最大的单口径射电望远镜就是中国“天眼”——FAST射电望远镜,直径达到500米。

『中国“天眼”的三大创新』

中国“天眼”有三大创新。

第一个创新,是利用地球上独一无二的优良台址——贵州天然喀斯特巨型洼地作为望远镜台址。

FAST射电望远镜的台址原貌是一个天然的大坑,其中住了14户人家。1994年,FAST项目启动。2011年开工建设,2016年完工,2020年通过国家验收。这架望远镜有多大呢?它的接收面积有30个足球场那么大。如果你把它想象成一口大锅,在里面装满了葡萄酒,那么全世界每人可以分到3大瓶(每瓶700毫升)。全世界一共有70多亿人,你可以想象这个锅有多大。

FAST射电望远镜是500米口径的球面射电望远镜,它的观测覆盖面为天顶角40度,观测频率是70MHz—3GHz。目前,它是世界上灵敏度最高的射电望远镜。该项目共建设了5年半时间,总投资11.5亿元。

第二个创新,是发明了主动变形反射面,在观测方向形成300米口径瞬时抛物面,汇聚电磁波。

射电望远镜的主要功能,是将来自天体的电磁波经过金属镜面反射后,汇聚起来,便于天文观测。因此,射电望远镜常用的形状有两种,一种是球面,一种是抛物面。相对来说,球面反射后不是聚焦在一个点上,而是聚焦在一条线上,所以收集信号比较麻烦。抛物面经反射后信号会聚焦到一个点上,所以收集信号比较容易。

我们是怎样设计FAST射电望远镜的呢?其实,这架望远镜虽然直径是500米,但是我们观测的时候,只把其中300米变成抛物面,并且通过300米区域的不断移动来实现对天体的跟踪。因为天体的位置是不断移动的,所以我们必须不断移动来实现实时跟踪。

这么大面积的望远镜,其实每一块面板都是可以上下移动的。上下移动的目的是什么?就是要把观测天区这一部分的面板瞬时变成抛物面形状。根据测量和计算,一个直径500米的球面和一个300米的抛物面非常接近,它们之间最大相差还不到0.4米。所以,只要能够精确移动球面的面板,就可以把球面变成抛物面。

具体是怎么建的呢?开挖后,我们先建起一个封闭的圈梁,圈梁的内径就是500米。建完这个圈梁,再在圈梁上挂一个索网,也就是说,用手腕那么粗的钢索编了一个大网兜挂在圈梁上。然后,在索网上安装面板,每块面板为三角形,边长约11米,共4450块面板。再在索网下连接2225个触动器,可根据指令控制索网节点的高低位置。就这样,我们可以把整体面板由球面变成抛物面,观测结束后再变回球面。

这些面板非常薄,只有1毫米厚。而且,面板都是打孔的,一来可以减轻重量,二来可以使面板下的植被保持一定的日照。所以,像中国“天眼”这么大的建筑工程,对当地的生态环境保护没有造成负面影响。

第三个创新,是自主提出轻型索拖动机构和并联机器人,实现望远镜接收机馈源舱的高精度指向跟踪。

馈源是指望远镜用来接收宇宙信号的装置系统。如果把FAST比作一只眼睛,那么馈源就相当于它的视网膜,所有收集到的宇宙信号都要汇集到这里。馈源舱的直径为13米,重30吨,它在206米的直径范围内不断移动,因为它要时刻处在抛物面的焦点上。

在望远镜周围,有6座最高达168米的支撑塔,通过6条钢索将30吨重的馈源舱悬吊在球面的中心。这6条钢索每根长600多米,直径46毫米,重量达6吨。这个索驱动工程是目前世界上建成的最大跨度的柔索牵引并联机构。要把馈源舱移动到焦点位置,需要分两步走:由6条钢索和舱内的AB轴系统进行第一次调整,位置的误差在空间各方向不大于48毫米;第二次调整,由舱内的Stewart平台(也称“六杆刚性并联机器人”)进行,精度可达到10毫米。


李奇生在演讲中

『从追赶世界到领先世界』

中国“天眼”有哪些科学研究目标呢?

第一,了解宇宙中的物质结构分布。怎么了解?通过对氢这个元素的观测。氢是宇宙中最简单、最容易形成的元素,也是最多的元素。我们只要观测到一个地方有氢,就说明这个地方有物质。我们只要对空间进行扫描,就可以知道它的物质结构分布。这对于我们了解宇宙的演化过程有很大的帮助。

第二,观测脉冲星。简单来说,脉冲星是中等质量恒星死亡以后的必然结局。一个正常的恒星,比如太阳,每天都在进行核燃烧。因为核燃烧产生的辐射压和星体的引力正好平衡,所以太阳的大小没有什么变化。可是一旦核燃料烧尽,只剩下引力,天体就会一下子塌缩。会塌缩到什么程度呢?一个天体可能会压缩成直径只有20公里。因此,它的密度变得极大,自转非常快,磁场能量也很大,辐射很强,我们目前还不清楚它到底是什么样的物质结构。这正是我们希望通过观测进一步了解的真相。

第三,探测星际分子。星际分子是什么?就是恒星之间的空旷区域,存在星云、尘埃,星际物质占银河系的1/10。通过对这些星体进行拍摄,我们发现,星体之间存在很多复杂的分子。1963年,美国科学家发现了星际羟基分子(OH),这项成就获得了诺贝尔奖。1969年又探测到甲醛,甲醛是氨基酸的前身。星际分子的组成元素都是地球生物的基本元素,这对于我们了解生命的起源、恒星的起源有很大的帮助。

第四,搜寻外星文明。从理论上讲,像太阳这样的恒星在宇宙中是非常多的,因此外星文明很可能是存在的。

美国的阿雷西博射电望远镜曾在1973年向M13星团发射了我们人类的一些主要信息。M13星团至少含有几十万颗恒星,所以朝着一个方向发射,被外星人接收到的概率是非常大的。这些信息包括1—10的数字、地球上最多的5种元素、人类的DNA结构等等。但是,M13星团离我们有多远呢?信号到达那里需要2.5万年。也就是说,真有外星人给我们回信,要收到也得5万年以后了。

除了向宇宙发送信息,我们也搜寻外来的信号。可是,经过几十年的搜寻,我们至今没有得到一点有价值的信息。在这方面,中国“天眼”可以充分发挥高灵敏度、高分辨率的优势。

总而言之,中国“天眼”的建成,实现了我国射电望远镜从追赶世界到领先世界的跨越。FAST射电望远镜还将在未来20—30年继续保持领先。

栏目主编:龚丹韵 文字编辑:徐蓓 题图来源:新华社 图片编辑:苏唯
文中图片由作者提供
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