中国八方新闻

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

中国八方新闻 首页 科技快讯 查看内容

中国天眼,聆听宇宙的声音

2021-4-29 11:04| 发布者: 八方新闻| 查看: 1812| 评论: 0|来自: 人民日报

摘要:   姜鹏   2021年3月31日,中国天眼(FAST)正式向全球天文学家开放。中国天眼是什么?它是我国具有自主知识产权、用于探索宇宙的单口径球面射电望远镜。有了它,可以推动对宇宙深空的了解与探测,为天文 ...

  姜鹏

  2021年3月31日,中国天眼(FAST)正式向全球天文学家开放。中国天眼是什么?它是我国具有自主知识产权、用于探索宇宙的单口径球面射电望远镜。有了它,可以推动对宇宙深空的了解与探测,为天文学的发展提供新的可能。

  中国天眼有多大?它口径500米,发射面积相当于30个标准足球场那么大。如果在里面倒满矿泉水,全世界70亿人平均每人可分4瓶。它能看多远?能看穿130多亿光年的区域,接近宇宙边缘。目前,中国天眼是世界上最大的也是最灵敏的单口径射电望远镜。

  借鉴抛物面天线原理,从地球聆听来自宇宙的信号

  中国天眼的学名是500米口径射电望远镜。不同于常见的通过可见光进行观测的光学望远镜,射电望远镜通过接收宇宙中不可见的无线电波来观测宇宙。我们上方厚厚的大气层有两个窗口:一个是可见光窗口,千百年来人类都是通过这个窗口观测宇宙的;一个是无线电窗口,上世纪30年代,无线电天文学先驱卡尔·央斯基偶然发现了来自银河系中心的信号,射电天文学的大幕由此拉开,推动人类认识宇宙起源、生命起源。

  中国天眼是当今射电天文学的重器。其基本原理是什么呢?我们都知道,平行电磁波遇到抛物面反射后会汇聚到焦点的位置。对射电望远镜来说,把反射面做成抛物面的形状,然后在焦点位置放置一台接收机,就可以汇集天体发出的电磁波信号,从而进行天文观测。抛物面的面积越大,汇集的信号就越多,也就越能探测到更暗弱、更遥远的天体。所以,自卡尔·央斯基意外发现射电天文观测窗口之后,各国天文学家就一直致力于建造反射面旧能大的巨型射电望远镜。

  与此同时,伴随人类对无线电的大规模使用,产生了越来越多的无线电波,干扰了人类对太空信号的接收。在1993年国际无线电大会上,包括中国在内的多个国家提出倡议,希望在地球电磁波环境被破坏之前,建造出超大口径的射电望远镜。次年,以南仁东先生为代表的中国科学家开始中国天眼的探索,开启了把不可能变成可能的征途。

  难度大、突破多,中国天眼在灵敏度上占据制高点

  到底能建口径多大的望远镜,撒于最终找到多大的洼地。适宜的洼地非常难找,因为它要同时符合四大条件。首先要足够大、足够圆,否则只是开挖和支护成本就会让这个项目无法实现;其次,要远离人口密集区域,这样才能保证优良的电波环境;再次,不能积水,不然设备寿命难以保证;最后,还要有优良的地质条件,否则无法建成大型、高精度的天文观测设备。

  从1994年到2006年,南仁东带领团队,从8000多幅地图中选出300多个洼坑,再进一步将范围缩小至几十个。团队几乎走遍这些洼地,现场踏勘,风餐露宿。最终,将台址定在贵州平塘县克度镇的大窝凼洼地。

  台址确定后,如何设计、如何实现、建成之后如何调试和使用,都没有现成经验可以借鉴:关键技术无先例可循、关键材料需从头研制。

  中国天眼设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜,这首先体现在视网膜和瞳孔的设计上。视网膜指反射面;瞳孔指馈源舱,即放置接收宇宙外信号装置系统的舱体。

  作为世界首创,中国天眼的视网膜是主动反射面,可以改变形状,一会儿是球面,一会儿是抛物面。具体来说,这张庞大的可动的视网膜是一张由6670根钢索编制的索网,挂在一个由50根巨大钢柱支撑的直径500米的圈梁上;索网上铺有4450块、380多种反射面单元;索网下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面上的作动器上,通过操纵作动器,拉动下拉索来改变索网形状,从而对天文信号进行收集和观测。

  中国天眼的瞳孔即馈源舱,也是一个大胆的突破性设计。大多数传统射电望远镜的瞳孔位置是固定的,或仅可以微调。中国天眼则完全不同,采用的是全新的轻型索驱动控制系统,这让中国天眼的瞳孔可以自如改变角度和位置,更有效地收集、跟踪、监测更丰富的宇宙电磁波。

  从体量来说,原世界第一大射电望远镜的馈源舱重1000多吨,中国天眼馈源舱重仅约30吨。体积小带来多方面的优势,比如可有效减少光路遮挡、减少干扰信号,从而让波束非常干净,更有利于天文观测。

  中国天眼在设计上的突破创新,为从图纸到现实的制造带来巨大挑战。而应对挑战的过程,也正是国产精准制造不断创造奇迹的过程。比如,要实现反射面(即索网)可改变形状这个世界首创设计,要求构成索网的钢索像弹簧一样有一定伸缩性,疲劳强度是现有标准的两倍多,国际上未有先例;还要求每根钢索的加工精度要达到1毫米,把传统标准提升了一个数量级。

  两年来,科学家们持续全方位地改进索体工艺,一根钢索要进行200万次疲劳实验。经历了近百次的失败后,最终成功解决了这个关键问题,实现了3项世界创举:超大跨度、超高精度、主动变位式的索网结构。

  建设完成之后,中国天眼进入调试阶段。巨型望远镜调试涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科,是强交叉学科的应用性研究,国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。中国天眼开创了新模式,其调试工作也更具挑战性。

  截至目前,已经实现跟踪、漂移、运动扫描、编织扫描等,提前完成功能性调试。在性能调试方面,中国天眼直径500米,却要实现毫米级的精度,难度相当大。当前,望远镜测量基准网的精度已提升至1毫米以内,其中,灵敏度水平是世界第二大望远镜的2.5倍,这是中国建造的望远镜第一次在灵敏度这个参数上占据制高点。另外,19波束已经完成安装,其意义也非常重大:可将望远镜视场扩大至原来的19倍,大幅提升望远镜的巡天效率。

  中国天眼专利技术被运用于多个领域,持续孵化科学新成果

  中国天眼团队敢想敢做,难度大、挑战大,其设计、建造的过程既是攻坚克难的过程,也是创新性成果相继产生的过程。许多具有我国自主知识产权的专利技术相继诞生并得到应用。比如,超高疲劳性能钢索结构被应用于大型体育场馆,高精度索结构生产体系被应用于港珠澳大桥等建设。

  在整个制造、安装过程中还产生了许多国家级、省级工法。比如,在为中国天眼铺设视网膜过程中,4450块反射单元、6670根钢索、上万个关节轴承,都是工人们在几十米高空一块块、一根根、一个个拼装完成的,容错率为零。这些复杂工法将有助于未来大型复杂项目的精准建造。

 ∩以说,中国天眼是一个现代工程奇迹,它凝结了20多个科研机构、上百名科研人员的心血,汇聚了几千名一线工人的汗水。建造条件艰苦,很多人在现场工作几天,身上就会起满红疙瘩。潮湿、阴冷的工棚没有空调或暖气,每个人的被子潮湿得快要挤出水来。常有人说,只有中国才能做成天眼,我想,做成天眼所依靠的,就是这种永不言弃、众志成城的精神。

  2017年10月,中国天眼首批科学成果公诸于世。如今,基于中国天眼数据发表的高水平论文已有70余篇;所发现的脉冲星数量已超过300颗,是同一时期国际上所有其它望远镜发现数量总和的3倍。为什么发现脉冲星至关重要?脉冲星是正在快速旋转的中子星,密度极高,每立方厘米重达上亿吨。它自身如灯塔一般散射光芒,时时刻刻地扫描着宇宙;它自转速度很快、自转周期精确,堪称宇宙中最精确的时钟。因此,把握脉冲星,有利于建立宇宙导航系统,有助于人类在未来实现星际旅行的梦想。

  接下来,中国天眼将进一步在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿方向加大探索,加强国内外开放共享,推动重大成果产出,勇攀世界科技高峰。我们青年一代科学家也将努力用好凝结了中国4代科学家心血的天眼,产生更多科研成果,推动人类对宇宙的探索和认知。

  (作者为FAST总工程师)

  推荐读物:

  漫步中国星空:齐锐、万昊宜著;科学普及出版社出版。

  天文学新概论(第五版):苏宜编著;科学出版社出版。

  婵娟之谜——月球的起源与演化:胡中为编著;科学出版社出版。

本资讯标题,中国天眼,聆听宇宙的声音
温馨提示:
1、在网站里发表的新闻都来自网络,与本网站立场无关。
2、网站的所有内容不保证其准确性,有效性,时间性。阅读本站内容因误导等因素而造成的损失本站不承担连带责任。
3、当政府机关依照法定程序要求披露信息时,网站均得免责。
4、若因线路及非本站所能控制范围的故障导致暂停服务期间造成的一切不便与损失,网站不负任何责任。
5、通过任何手段和方法针对网站进行破坏,我们有权对其行为作出处理。并保留进一步追究其责任的权利。

广告合作/投稿邮箱zgbfxw@163.com|网站地图|中国八方新闻 ( 黔ICP备16004947号-1 )

GMT+8, 2021-5-16 09:53 , Processed in 0.247051 second(s), 31 queries .

Powered by Discuz! X3.4

Copyright © 2001-2021, Tencent Cloud.

返回顶部