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科学技术 / 发现 / 宇宙探索

世界最大射电望远镜主体已经完工

文字:[大][中][小] 2016-7-3  浏览次数:23469

新浪科技讯 2016年7月3日,贵州黔南群山中的FAST望远镜工程大窝凼台址现场,最后一块反射面板缓缓起吊,在完成了二次空中转接并用缆索吊下滑到指定位置后, 被顺利安装在索网上。反射面工程也是FAST最后一个设备工程,其顺利完成标志着FAST工程主体工程的完工,将进入测试调试阶段。

  FAST真名叫“500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST)”,是目前世界第一大单口径射电望远镜,今日完成安装的主动反射面是FAST望远镜的重要组成部分,共有4450块的反射面板单元,总重量超过 2000吨,反射面总面积约25万平方米,相当于近30个足球场,其工程量之大由此可见,是我国目前最大的天文工程。

  FASTast望远镜建成后将超过全球现役最大球面射电望远镜——300米口径的阿雷西博(Arecibo),成为世界上最大口径的射电望远 镜,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;与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西 博,其综合性能提高约10倍,将在未来20~30年保持世界一流设备的地位。

  理论上,FAST投入使用后,能接收到137亿光年外的电磁信号,接近于宇宙的边缘,除了巡视宇宙中的中性氢,研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化,还将观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律;甚至可以搜索星际通讯信号,开展对地外文明的探索。

  1994年就开始的选址工作

  1994年4月,FAST项目启动贵州选址工作,开始了为期13年的预研究;直到2007年7月10日, FAST项目正式立项。

大窝凼‘快鸟’照片大窝凼‘快鸟’照片
原来的大窝凼住着12户人家 后来整体搬迁原来的大窝凼住着12户人家 后来整体搬迁

  原本无比静谧的贵州省平塘县克度镇金科村大窝凼洼地,是专家们先根据卫星遥感影像,对400多个备选洼地从形态特征、水文、地质、气象及电波环 境等诸多方面进行初评,然后又通过计算机模拟工程填挖量,从中选出30多个实地考察,最后才选中了不大不小,深度合适,形状很圆,适于施工建设的“大窝 凼”。 这个天然洼地附近5公里半径之内没有一个乡镇,25公里半径之内只有一个县城,无线电环境“相当理想”,加上贵州南部喀斯特峰丛洼地的特殊地貌,天坑底部 多有暗河和落水洞,FAST望远镜的底部在暗河基础上又修了一公里的引水渠,可以保障雨水向下渗透,不会腐蚀到望远镜。

  利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址是FAST工程的三项自主创新之一,但这样有着天然优势的地貌也给项目建设施工带来了很大困难,在70度以上 的峭壁上铺设线路,必须用人力开挖,电缆和巨型设备也只能靠人力搬运,在天坑中建筑空间腾挪不开,为此施工人员用人工把几十座钢梁和几十段框架,一点点搬 运到恰当的位置。

  能动的“天眼”

  FAST的天线锅反射面口径500米,基准状态下呈现半径300米的球面,反射面下有精巧的索网结构作为主要支撑结构,这些索网就是反射面“变形”的关键点,FAST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。

  反射面索网安装在格构式环形圈梁上,它有2402250个连接节点,在索网上安装464500个反射面单元,节点下方小电机控制着6670根主 索组成的网,形成了完整的主动反射面系统,能够实现实时控制下形成300米口径瞬时抛物面的功能。FAST的索网结构随着天体的移动自动变化,把无线电波 光聚集到焦点处接收,整个变形过程由激光定位系统校准。

环形圈梁环形圈梁
反射面板安装反射面板安装

  别小看这看似简单的“变形”,它可以让FASTfast实现天顶角 40°的天空观测天区,相对全球现役最大球面射电望远镜-300米口径的阿雷西博(Arecibo),它的球面不能动只能在20°天顶角的工作极限,限制 了观测天区,特别是限制联网观测能力。“天眼”正是通过这个天线锅倾听来自宇宙的声音,巨大的天线锅,将微弱的宇宙电波收集起来,再将收集到的信号汇聚到 具有极高灵敏性的接收系统上,还原、转化、分析。

  天眼的瞳孔:核心部件馈源舱

  FAST在接收来自宇宙的电波方面的出色能力不仅依靠会动的巨大的反射面,还有个灵敏的核心部件——馈源舱。

核心部件馈源舱核心部件馈源舱

  “天眼”的上空,六条400多米的钢索吊起一个30吨重类似飞碟的馈源舱,内设精密的接收器接收天线锅反射的信号,馈源舱内安装Stewart 平台(精调并联机器人),辅助调整馈源舱的姿态角,正式投入使用之后,馈源舱会随着探测的需要沿球面中心轴做上下运动。移动范围达200米。

  馈源就是天线,用来接收来自宇宙的无线电波,如果把FAST比作一个天眼,那么馈源舱就相当于是瞳孔,起到一个聚焦的作用。在移动过程中,每一部分的位移都要控制在毫米级,“天眼”才能正常工作。它的定位精度直接决定着整个FAST望远镜系统收集到的无线电波的多少。

  FAST 我们到底为什么要建

  半个多世纪过去了,所有射电望远镜收集到的能量还不够翻动一页纸。通过这只“天眼”,人类究竟能发现什么?

  FAST的工程科学目标非常明确

  1) 巡视宇宙中的中性氢,研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化;

  2) 观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律;

  3) 主导国际低频甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构;

  4) 探测星际分子;

  5) 搜索可能的星际通讯信号

  中国科学院国家天文台FAST工程首席科学家、总工程师南仁东这样描述存在于宇宙深处的各种讯息:“宇宙空间混杂各种辐射,遥远的信号像雷声中 的蝉鸣,没有超级灵敏的耳朵,根本就分辨不出来。”而“天眼”恰恰具备这样的非凡本领,哪怕是远在百亿光年外的射电信号,它也有可能捕捉到。

  首先,FAST能够发现更多的脉冲星。脉冲星是大质量恒星演化的最终产物,是中子星的一种。中子星具有和太阳相当的质量,但半径只有 10-20千米,为会周期性发射脉冲信号的星体,直径大多为20千米左右,自转极快(自转周期是几秒甚至几个毫秒),是宇宙中旋转冠军。目前我们观测到的 约2000颗脉冲星均在银河系内,FAST将对准银河系外去发现更多奇特的脉冲星,期望找到前所未见的脉冲星现象,发现突破性的理论。

  FAST还可能观察到早期宇宙的蛛丝马迹——中性氢云团的运动。所谓中性氢,就是宇宙中未聚拢成恒星发光发热的氢原子,是一个质子加一个电子。 本 来从远处是看不到氢原子的,但质子和电子就像旋转的星球一样有磁极。如果电子磁极罕见地倒转了,一种波长为21厘米的微弱电磁波就跑了出来。

  监测21厘米波,不仅能判断出哪里存在大量的中性氢,还可以用来描绘星系之间的交互作用造成的重力扰动。FAST观测中性氢信号,就能获知星系 之间互动的细节,还可能发现早期宇宙中刚刚形成的氢是怎么运动的,从而为宇宙发育史提供线索。类似的道理,FAST还能监听到一些太空有机分子发出的独特 电磁波,让我们更精确地描绘出宇宙图景。

  至于能否发现外星人传来的信号?FAST能从宇宙的今天看到很远的地方去,有助揭开宇宙起源之谜,甚至是‘地外文明’,宇宙中的生命体或高智商 ‘外星人’若存在,他们的产生、遗留之信息,若存在于浩瀚天宇中,有可能会被FAST探测并接收到。(综合新华社、科技日报等报道)(郭祎)