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军事历史

www.365sb.com“天眼”开眼,揭开世界级工程神秘面纱

8 7月 , 2020  

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“天眼”当惊世界殊

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www.365sb.com 4“大窝凼”洼地(2009年5月25日摄)

9月25日,国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县落成启用。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在贺信中说:“它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。”记者第一时间深入现场,零距离揭开这项世界级工程的神秘面纱——

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中国“天眼”。代传付摄 平塘县外宣办供图

www.365sb.com 4www.365sb.com ,FAST工程进展中。(2015年1月16日摄)

“欲穷千里目,更上一层楼。”这是出自唐代王之涣《登鹳雀楼》中的诗句。随着“中国天眼”正式落成启用,“千里目”一词被赋予了新的时代意蕴。

图①:工作人员对FAST的馈源舱进行施工。图②:FAST综合控制大楼。图③:平塘天文体验馆内的太阳系模型。图④:工作人员在FAST控制中心内工作。
9月25日,国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县落成启用。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平在贺信中说:“它的落成启用,对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。”记者第一时间深入现场,零距离揭开这项世界级工程的神秘面纱——
“欲穷千里目,更上一层楼。”这是出自唐代王之涣《登鹳雀楼》中的诗句。随着“中国天眼”正式落成启用,“千里目”一词被赋予了新的时代意蕴。
清晨时分,从贵州省惠水县驱车向南,沿银百高速转县道再穿过一段狭窄山口,“长”在平塘县克度镇金科村大窝凼“坑”里的“中国天眼”——世界上最大的500米口径球面射电望远镜便赫然出现在眼前。
大窝凼里筑“天眼”
天坑,这种鬼斧神工的自然奇观,在黔南比比皆是。“尽管‘长’在天坑里的‘中国天眼’‘身段’很低,它扎根在一片喀斯特洼地中,但‘目光’很远,射向百亿光年外的宇宙太空。”中国科学院国家天文台FAST工程办公室主任张蜀新告诉记者,“FAST工程项目2007年正式立项,2011年开工建设,承载着中国射电天文领跑世界的光荣与梦想。”
踏着蜿蜒的栈道登上FAST观景台,旋转式上升的悬空挑台与500米口径球面射电望远镜相呼应。放眼望去,大窝凼里FAST的壮观景象尽收眼底——总面积达25万平方米的反射面看起来像一口超级“大锅”,网格爬满了“锅”底,向上延伸“咬住”环梁,反射面面板一圈一圈铺满索网的空隙,构成一只仰望苍穹的“巨眼”。
来到FAST工程现场,记者用脚步去丈量FAST的“眼界”——“锅盖”上总长度约1.6公里的圈梁有如一道环形大桥,将上万根钢索牢牢固定住,而形似宇宙飞船的馈源舱则由6根拉索连接6个馈源支撑塔悬吊于反射面面板之上。走在足够两人并排同行的钢桥上,脚下是鸡蛋粗细橡胶表面的索绳,一种强烈的震撼感和自豪感油然而生。
“‘中国天眼’为何会选址大窝凼?”记者将这个脑海里突然冒出的问题抛给了FAST工程台址与观测基地系统总工程师朱博勤,从1994年FAST的选址开始,他见证了“中国天眼”建设的全部过程。
“新一代大射电望远镜的工程名称经历了LT、KARST、FAST/SKA、FAST几个阶段,每个阶段都有不同的台址要求,在技术要求和对台址的要求也愈发清晰的同时,对洼地的尺度和形态要求也更具体了。”朱博勤说,在对24个洼地的地形高程数字化、地形典型剖面分析和开挖土方量拟合等具体工作的基础上,对大窝凼、打多、尚家冲还开发了FAST工程土方量开挖拟合地理信息系统,在确定球半径、开口半径、球冠底部高程、球中心的平面坐标后即可计算需开挖的土方量。最终的结论,大窝凼是建设500米口径球面射电望远镜最好的场址。
“变形大锅”随天动

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www.365sb.com 8拼装第一块反射面板(2015年8月2日摄)

清晨时分,从贵州省惠水县驱车向南,沿银百高速转县道再穿过一段狭窄山口,“长”在平塘县克度镇金科村大窝凼“坑”里的“中国天眼”——世界上最大的500米口径球面射电望远镜便赫然出现在眼前。

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500米口径大射电望远镜建设地——克度大窝凼。平塘县外宣办供图

www.365sb.com 8反射面板装近半(2015年12月16日摄)

天坑,这种鬼斧神工的自然奇观,在黔南比比皆是。“尽管‘长’在天坑里的‘中国天眼’‘身段’很低,它扎根在一片喀斯特洼地中,但‘目光’很远,射向百亿光年外的宇宙太空。”中国科学院国家天文台FAST工程办公室主任张蜀新告诉记者,“FAST工程项目2007年正式立项,2011年开工建设,承载着中国射电天文领跑世界的光荣与梦想。”

古罗马的西塞罗曾有句名言:“如果一个人能对着天上的事物沉思,那么在他面对人间时就会更加高尚。”今天,“中国天眼”的落成启用,见证了中国科技人员默默奋斗,化笃实守正之志为仰望苍穹之功。
让我们把目光再次聚焦到这500米口径的“锅”,的确是口名副其实的“变形大锅”。“我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比,主动反射面系统是我们的创新之一。”国家天文台FAST工程总工艺师王启明说,FAST工程的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的4450个反射单元,在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面,从而极大地提升了观测效率。而主动反射面让“中国天眼”拥有更广的观测范围,能覆盖40度的天顶角。
记者注意到,每块反射面面板上都有像筛子一样的密孔。据国家天文台工程师翟学兵介绍,这样的创新设计,一是为了减少风负载,二是提高透光率,让天线面下能长草,避免水土流失。
在反射面面板上面,还有不少黑色的物体。已在FAST工程工作7年的国家天文台副研究员钱磊说,这些类似液压泵状的物体叫促动器,促动器最大可以伸缩1米。也就是说,根据观测需要,促动器可以将“大锅”左右前后移动。
其实,“中国天眼”的建造工艺也是精益求精,由此也推动了多领域装备制造能力的提升:
——主动反射面的索网具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征,其500兆帕的超高应力幅,是国家标准的2.5倍;
——帮助反射面变位的2000多个液压促动器通过伸缩实现精确定位、协同运动,还可将自身各项状态信息上报给控制系统,满足适时跟踪、换源等运动要求;
——提出大射电望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计,将馈源支撑结构系统自重降至30吨,既降低造价,又提高稳定性……
来到“大锅”底部。只见在大“锅盖”的中间,有一个12边形的物体,被6根大跨度柔索牵引悬在高空中。
“它的名字叫馈源舱,里面装置有馈源,也叫做超宽带接收机,是FAST接收和回传信号的最核心部件,整个射电望远镜的反射面所接收到的全部宇宙信号,都靠它来收集。”FAST工程测控系统总工程师朱丽春说。
其实,FAST也并非“百毒不侵”。它的观测原理是通过反射面来接收宇宙中由天体物质的能量所发射出来的电磁波,从而进行分析。FAST的灵敏度非常高,极易受到电磁干扰,因此,需要保护台址周边宁静的电波环境。所以,FAST项目正式落成启用后,其方圆5公里将被划为“静默区”。这意味着,可以发射无线电信号的电子设备都将被禁止使用,工作人员要与外界联系,只能使用座机。
朱博勤说,在观景台游客集散中心和观景台上,均设有电话亭,游客们可以在固定电话上进行通话。
多少奥妙等待“天眼”解答

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www.365sb.com 8反射面板安装完成(2016年7月3日摄)

踏着蜿蜒的栈道登上FAST观景台,旋转式上升的悬空挑台与500米口径球面射电望远镜相呼应。放眼望去,大窝凼里FAST的壮观景象尽收眼底——总面积达25万平方米的反射面看起来像一口超级“大锅”,网格爬满了“锅”底,向上延伸“咬住”环梁,反射面面板一圈一圈铺满索网的空隙,构成一只仰望苍穹的“巨眼”。

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中国“天眼”夜景。平塘县外宣办供图

  昨天上午,位于贵州省黔南州平塘县大窝凼洼地的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)完成最后一块反射面单元的吊装,历时11个月的主体工程正式完工。这个有30个足球场大的巨大“天眼”,将在9月全部建成并初步投入使用。在它的诸多功能中,最受关注的是,它超强的灵敏度能将人类搜寻外星文明的能力提升到前所未有的水平。

来到FAST工程现场,记者用脚步去丈量FAST的“眼界”——“锅盖”上总长度约1.6公里的圈梁有如一道环形大桥,将上万根钢索牢牢固定住,而形似宇宙飞船的馈源舱则由6根拉索连接6个馈源支撑塔悬吊于反射面面板之上。走在足够两人并排同行的钢桥上,脚下是鸡蛋粗细橡胶表面的索绳,一种强烈的震撼感和自豪感油然而生。

其实,不管是科学领域里的研究实践,还是科幻小说中的异想天开,在探索未知宇宙的道路上,人类一刻也没有停下前行的脚步。
打开宇宙奥秘的工具便是望远镜。从最原始的目视观测到现在巨大的光学天文望远镜和射电天线阵,经历了上千年的演进变迁。“如果有人在月球上打手机,我们也是可以听到的。”张蜀新形象地比喻FAST的灵敏度。从理论上来看,FAST能接收到137亿光年以外的电磁信号,这个距离接近于宇宙的边缘。
“跟其他射电望远镜一样,‘中国天眼’最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星。前者是研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化,后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”国家天文台副台长、FAST工程常务副经理郑晓年说。
“针对老百姓普遍关心的‘中国天眼’能否用于寻找地外文明,答案是肯定的。”王启明表示,它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高,它能看到更远、更暗弱的天体,通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号,寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。
“继今年7月3日馈源舱升舱和反射面板按计划完成安装后,FAST工程已经进行了2个多月的系统调试,并于9月25日正式落成使用。但要实现所有功能参数最优化,它还要在将来3到5年的试观测中不断调试完善。”谈到FAST的发展前景时,张蜀新这样告诉记者。
“‘中国天眼’将成为中国天文学研究的‘利器’。”郑晓年信心满满地说。
三问“中国天眼” ■本报记者 张天南
被誉为“中国天眼”的射电望远镜在设计建造上有何创新?在倾听宇宙深处声音、探索宇宙奥秘方面将发挥什么作用?请看中国电子科技集团的专家为你解读。
一问:射电望远镜是不是口径越大越好?
“500米口径球面射电望远镜,可不是肉眼观测的普通望远镜,是世界最顶尖级的太空望远镜。”中国电科研究员级高级工程师王枫介绍,面板和馈源是决定FAST探测威力和探测精度的核心要素。
射电望远镜,跟接收卫星信号的天线锅类似,通过锅的反射聚焦,把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。“用过‘锅盖天线’的人知道,锅盖口径越大,电视画面也越清晰。对于射电望远镜来说,口径越大看得越远。全世界的射电天文学家都追求建造更大口径的‘锅盖’,以提高射电望远镜灵敏度。”
王枫说,简而言之,就是“锅”越大,“阅读”到宇宙深处的信息就越多。
其实,建造500米口径球面射电望远镜在国际上没有先例,很多技术需要依靠自主创新。比如,望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计,将馈源支撑结构系统自重降至30吨,既降低了造价,又提高了稳定性。中国电科面板单元技术负责人郑元鹏告诉记者,4450个反射面每一个都可以进行对焦,灵敏度可达美国阿雷西博射电望远镜的2倍,巡天速度是它的10倍。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。FAST将成为世界最大单口径射电天文望远镜。
二问:射电望远镜在设计建造上有何创新?
FAST有多大?反射面总面积25万平方米,相当于30个标准足球场那么大;FAST有多重?仅圈梁、索网和6座支撑馈源舱的高塔就用掉10000多吨钢材,反射面面板用掉2000多吨铝合金;FAST有多巧?2000多个液压促动器通过伸缩,实现反射面精确变位。
的设计目标,是能够把近30个足球场这么大的接收面积里收集的信号,聚集在药片大小的空间里。”郑元鹏说,不如此,就无法监听到宇宙中微弱的射电信号,“药片”就是馈源,因此500米口径的结构要实现毫米级精度。
FAST的设计建造,体现了中国人领先于世界的工程及设计能力。FAST的索网结构可以随着天体的移动自动变化,带动索网上活动的4450个反射面面板产生变化,足以观测到任意方向的天体,同时,馈源舱也随索网一同运动,采集反馈信息。
柔性铆接工装也是创新的典型代表。郑元鹏说,面板子单元每天的生产涉及铆接工装为140种,如果按照原始数据进行工装设计,一方面增加了成本,另一方面会降低生产效率。生产中我们根据最大包容原则设计了通用工装,经过柔性调整可适用于所有类型的面板铆接。
三问:在探索宇宙奥秘方面将发挥什么作用?
“如果把FAST看作一个‘天眼’,那馈源舱就相当于这个‘眼睛’的‘瞳孔’,它起到聚焦的作用,让我们能看得更清楚。”中国电科馈源舱单元技术负责人李建军介绍,
FAST绝不是金属堆砌的“傻大粗”,它是最精密的天文仪器。由于采用光机电一体化的馈源平台,加之馈源舱内的并联机器人二次调整,它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,可实现毫米级指向跟踪,确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。
半个多世纪以来,全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸,而FAST的加盟将大大加快这一速度。而收集的能量,意味着解读宇宙深处奥秘的信息量。
中国电科总经理樊友山说,FAST研究涉及众多高科技领域,如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理等。未来,FAST关键技术成果还可应用于诸多相关领域,如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。
本文图片均由新华社发 (《解放军报》2016年09月26日 08版)

有着超级“天眼”之称的500米口径球面射电望远镜9月在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县的喀斯特洼坑中落成。中科院国家天文台台长严俊曾公开表示,“利用天然的喀斯特洼坑作为台址,洼坑内铺设数千块单元组成冠状主动反射面,采用轻型索拖动机构和并联机器人实现接收机高精度定位,这是中国‘天眼’的三大自主创新”。今日,FAST总工艺师王启明向媒体解密了中国“天眼”的三大创新点。

  4450块反射面板安装完毕

“‘中国天眼’为何会选址大窝凼?”记者将这个脑海里突然冒出的问题抛给了FAST工程台址与观测基地系统总工程师朱博勤,从1994年FAST的选址开始,他见证了“中国天眼”建设的全部过程。

第一个创新点是“利用天然的喀斯特洼坑作为台址”。王启明一句话就说中了不少人心中的疑问。“大家可能会觉得,为什么我们要做深山里做‘天眼’,是不是在其他地方挖一个坑也可以。”

  昨日,在FAST工程大窝凼台址现场,随着FAST工程总经理、国家天文台台长严俊的一声令下,最后一块反射面单元随着隆隆的鞭炮声缓缓起吊,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。

“新一代大射电望远镜的工程名称经历了LT、KARST、FAST/SKA、FAST几个阶段,每个阶段都有不同的台址要求,在技术要求和对台址的要求也愈发清晰的同时,对洼地的尺度和形态要求也更具体了。”朱博勤说,在对24个洼地的地形高程数字化、地形典型剖面分析和开挖土方量拟合等具体工作的基础上,对大窝凼、打多、尚家冲还开发了FAST工程土方量开挖拟合地理信息系统,在确定球半径、开口半径、球冠底部高程、球中心的平面坐标后即可计算需开挖的土方量。最终的结论,大窝凼是建设500米口径球面射电望远镜最好的场址。

他解释称,“但如果是人工挖的坑,一下雨就变成水库了”。

  据中科院国家天文台相关负责人介绍,主动反射面是FAST望远镜的重要组成部分,共有4450块反射面板单元,包括4273块基本类型和177块特殊类型。反射面单元边长为10.4米到12.4米,每块单元重427.0公斤到482.5公斤,厚度约1.3毫米。

古罗马的西塞罗曾有句名言:“如果一个人能对着天上的事物沉思,那么在他面对人间时就会更加高尚。”今天,“中国天眼”的落成启用,见证了中国科技人员默默奋斗,化笃实守正之志为仰望苍穹之功。

FAST项目选址科研团队负责人宋建波也曾在接受媒体采访时表示,山体里的水系统对望远镜的“人身安全”意义重大,一旦“窝”底的排水系统堵塞,山体中的水将无法流入地下暗河,望远镜就有被淹没的危险。

  去年8月2日,FAST反射面单元吊装工程开始施工。一块块反射面单元在地面经过拼装、测量、报验等严格的步骤形成合格单元后,通过塔吊、转运车、缆索吊等一系列复杂的高空工序,被运至指定位置进行安装。

让我们把目光再次聚焦到这500米口径的“锅”,的确是口名副其实的“变形大锅”。“我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比,主动反射面系统是我们的创新之一。”国家天文台FAST工程总工艺师王启明说,FAST工程的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的4450个反射单元,在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面,从而极大地提升了观测效率。而主动反射面让“中国天眼”拥有更广的观测范围,能覆盖40度的天顶角。

记者查阅平塘县人民政府网站,虽然中国“天眼”所处的平塘县雨量充沛,但当地的喀斯特地貌恰恰具备岩石透水性。王启明表示,此处的天然喀斯特地貌正利于排水,虽然贵州黔南雨水丰沛,但这里下雨一般不会存水。

www.365sb.com“天眼”开眼,揭开世界级工程神秘面纱。  在克服了大尺度、高精度的拼装施工难点以及跨度大、位置高等吊装施工难题后,经过11个月的艰苦奋斗,近30个足球场面积的反射面由一块块反射面单元逐渐铺设完成。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工程主体工程的顺利完工。据悉,大射电望远镜将进行两个多月的系统调试,于9月底正式竣工投入使用,但要实现所有功能参数最优化,它还要在两三年的观测中不断调试完善。

记者注意到,每块反射面面板上都有像筛子一样的密孔。据国家天文台工程师翟学兵介绍,这样的创新设计,一是为了减少风负载,二是提高透光率,让天线面下能长草,避免水土流失。

在FAST之前,世界上最大的射电望远镜是美国的阿雷西博300米口径射电望远镜。该望远镜是固定望远镜,不能转动,只能通过改变天线溃源的位置扫描天空中的一个约20°的带状区域,而FAST的球冠张角达到110°-120°。

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在反射面面板上面,还有不少黑色的物体。已在FAST工程工作7年的国家天文台副研究员钱磊说,这些类似液压泵状的物体叫促动器,促动器最大可以伸缩1米。也就是说,根据观测需要,促动器可以将“大锅”左右前后移动。

FAST的反射面系统由支撑塔、索网结构和反射面面板等部分组成。王启明曾表示,FAST工程的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的4450个反射单元,在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面,从而极大地提升观测效率。而主动反射面让“中国天眼”拥有更广的观测范围。“结构虽然复杂了,但是我们轻量化了,所以成本大大降低了。”他说。

  据了解,FAST工程是“十一五”国家重大科技基础设施建设项目,建造世界第一大单口径射电望远镜的目标,是实现大天区面积、高精度的天文观测。

其实,“中国天眼”的建造工艺也是精益求精,由此也推动了多领域装备制造能力的提升:

馈源舱是FAST接收和回传信号的最核心部件,整个射电望远镜的反射面所接收到的全部宇宙信号,都靠它来收集。中国“天眼”在该核心部件中也进行了创新。

www.365sb.com“天眼”开眼,揭开世界级工程神秘面纱。  1993年的国际无线电科学联盟大会上,包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”的倡议。1995年底,以中国科学院北京天文台(现国家天文台)牵头,国内20余所大学和研究所成立了射电“大望远镜”中国推进委员会,提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面,即“阿雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。此后,中国科学家们进一步推进喀斯特概念,提出独立研制一台新型的喀斯特单元,即500米口径球面射电望远镜。

——主动反射面的索网具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征,其500兆帕的超高应力幅,是国家标准的2.5倍;

www.365sb.com“天眼”开眼,揭开世界级工程神秘面纱。建造于上世纪60年代的美国阿雷西博望远镜的馈源平台重达1000多吨,几乎等于用固定轨道把平台架设在半空,这样的设计有利于馈源的定位,却缩小了观测角度。

  有望保持世界一流20年

——帮助反射面变位的2000多个液压促动器通过伸缩实现精确定位、协同运动,还可将自身各项状态信息上报给控制系统,满足适时跟踪、换源等运动要求;

王启明说:“如果我们按照阿雷西博的方案,我们500米望远镜,馈源平台重量至少会达到几千吨。这样重的大家伙挂在空中,成本相当大了。”他表示,中国“天眼”采取了轻型索支撑馈源平台方案,把馈源舱减重到30吨。

  FAST台址最终确定在贵州省黔南州平塘县克度镇绿水村的“大窝凼”洼地。据介绍,携全新设计思路加得天独厚的台址优势,FAST突破了射电望远镜的百米极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。

——提出大射电望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计,将馈源支撑结构系统自重降至30吨,既降低造价,又提高稳定性……

国家天文台副台长郑晓年也曾对媒体表示,中国“天眼”覆盖天顶角是美国阿雷西博望远镜的两倍,并通过并联机器人二级调整,最终在降低建造成本的同时,实现毫米级高精度定位。

www.365sb.com“天眼”开眼,揭开世界级工程神秘面纱。  FAST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;与美国阿雷西博300米射电望远镜相比,其综合性能提高约10倍。作为世界最大的单口径望远镜,FAST有望在未来10年到20年保持世界一流设备的地位。

来到“大锅”底部。只见在大“锅盖”的中间,有一个12边形的物体,被6根大跨度柔索牵引悬在高空中。

王启明还透露,中国“天眼”中还有很多是有自主知识产权的,而这些“都由国内顶级企业建造完成”。

  □揭秘

“它的名字叫馈源舱,里面装置有馈源,也叫做超宽带接收机,是FAST接收和回传信号的最核心部件,整个射电望远镜的反射面所接收到的全部宇宙信号,都靠它来收集。”FAST工程测控系统总工程师朱丽春说。

  中国“天眼”强在哪

其实,FAST也并非“百毒不侵”。它的观测原理是通过反射面来接收宇宙中由天体物质的能量所发射出来的电磁波,从而进行分析。FAST的灵敏度非常高,极易受到电磁干扰,因此,需要保护台址周边宁静的电波环境。所以,FAST项目正式落成启用后,其方圆5公里将被划为“静默区”。这意味着,可以发射无线电信号的电子设备都将被禁止使用,工作人员要与外界联系,只能使用座机。

  体型大:

朱博勤说,在观景台游客集散中心和观景台上,均设有电话亭,游客们可以在固定电话上进行通话。

  FAST工程总工艺师王启明说,仅圈梁、索网和支撑馈源舱的6座高塔就用掉1万多吨钢材。“望远镜反射面总面积为25万平方米,相当于30个标准足球场那么大。尽管反射面板才1毫米多厚,也用掉2000多吨铝合金。”

多少奥妙等待“天眼”解答

  精度高:

其实,不管是科学领域里的研究实践,还是科幻小说中的异想天开,在探索未知宇宙的道路上,人类一刻也没有停下前行的脚步。

  大射电望远镜绝不是金属堆砌的“傻大粗”,它是最精密的天文仪器。由于采用光机电一体化的馈源平台,加之馈源舱内的并联机器人二次调整,它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,可实现毫米级指向跟踪,确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。大射电望远镜的建造工艺也是精益求精。——十几米长的索,误差不准超过1毫米,生产流程必须用恒温装置,确保所有材料是在20摄氏度温度场生产的。

打开宇宙奥秘的工具便是望远镜。从最原始的目视观测到现在巨大的光学天文望远镜和射电天线阵,经历了上千年的演进变迁。“如果有人在月球上打手机,我们也是可以听到的。”张蜀新形象地比喻FAST的灵敏度。从理论上来看,FAST能接收到137亿光年以外的电磁信号,这个距离接近于宇宙的边缘。

  ——公里尺度的钢索支撑体系,位姿精度却在毫米级。大连华锐重工集团高级工程师武荣阳说,观测天体时因为地球有自传,需要补偿地球自转。馈源舱直径13米,位姿精度误差不能超过48毫米,角度不超过1度。

“跟其他射电望远镜一样,‘中国天眼’最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星。前者是研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化,后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”国家天文台副台长、FAST工程常务副经理郑晓年说。

  ——要能灵敏观测浩瀚星空,拼装面板子单元边界的精准定位是首要问题。科研人员为此专门设计的定位夹具,它能对每块面板的水平位置以及轴向高度进行精准定位,每个等边三角形交点孔位精度保持在0.1毫米至0.15毫米。——主动反射面的索网具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征,其500兆帕的超高应力幅,是国家标准的2.5倍。

“针对老百姓普遍关心的‘中国天眼’能否用于寻找地外文明,答案是肯定的。”王启明表示,它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高,它能看到更远、更暗弱的天体,通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号,寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。

  ——帮助反射面变位的2000多个液压促动器通过伸缩实现精确定位、协同运动,还可将自身各项状态信息上报给控制系统,满足适时跟踪、换源等运动要求。

“继今年7月3日馈源舱升舱和反射面板按计划完成安装后,FAST工程已经进行了2个多月的系统调试,并于9月25日正式落成使用。但要实现所有功能参数最优化,它还要在将来3到5年的试观测中不断调试完善。”谈到FAST的发展前景时,张蜀新这样告诉记者。

  ——承担着传输各种数据信息使命的动光缆可经受反复弯曲、卷绕和扭转等机械性能和恶劣自然环境考验。

“‘中国天眼’将成为中国天文学研究的‘利器’。”郑晓年信心满满地说。

  视野广:

图①:工作人员对FAST的馈源舱进行施工。

  “我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比,主动反射面系统是我们最大的创新。”中国科学院国家天文台研究员、FAST工程副经理彭勃说,大射电望远镜的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的4450个反射单元,在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面,极大提升观测效率。

图②:FAST综合控制大楼。

  阿雷西博望远镜是固定望远镜,只能通过改变天线溃源的位置扫描天空中的一个约20度的带状区域。而主动反射面让中国大射电望远镜拥有更广的观测范围,能覆盖40度的天顶角。

图③:平塘天文体验馆内的太阳系模型。

  大射电望远镜的工作频率比较广。彭勃说,馈源舱内配置了覆盖频率70MHz~3GHz的多波段、多波束馈源和接收机系统。

图④:工作人员在FAST控制中心内工作。

  □关注

  观天巨眼要找啥

  “跟其他射电望远镜一样,中国大射电望远镜最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星,前者是研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化,后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”中科院国家天文台副台长郑晓年说。

  地球大气层留给人类探索宇宙两个窗口,一个是光学,一个是射电。对天文学家来说,如果光学望远镜是显微镜,那么射电望远镜就是CT机,可以获得天体的超精细结构。

  “有7套接收机,因为不同的波段观测的频率不一样,观测和研究目标就不一样。”中国科学院国家天文台研究员、FAST工程副经理彭勃说,在大射电望远镜眼中,宇宙和宇宙天体是一种立体的呈现。

  半个多世纪以来,全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸,中国大射电望远镜的加盟将大大加快这一速度。而收集的能量,意味着解读宇宙深处奥秘的信息量。

  “从射电望远镜诞生至今,人类共发现了约2500颗脉冲星,如果中国大射电望远镜的工作时间全部用于观测脉冲星,它一年时间内就有望将这个数量翻倍。”彭勃说,脉冲星可以用于脉冲星导航、脉冲星计时阵等应用目标。

  “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。”FAST工程首席科学家、总工程师南仁东认为,大射电望远镜还有可能会发现一些前所未见的脉冲星现象,比如说一个脉冲星和一个黑洞结对,那么就可能产生突破性的理论。

  物理学发展中的每一次小小的进步,都伴随着极大的艰难与曲折。但在人类文明进步的每个阶段,物理学始终站在解放生产力的前沿。彭勃说,科学家利用阿雷西博望远镜发现引力波,并获得诺贝尔物理学奖,中国大射电望远镜则为自然科学特别是物理学相关领域提供了重大发现的机会。

  “针对大众十分关心的大射电望远镜能否用于寻找地外文明,答案是肯定的。”彭勃表示,它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高,它能看到更远、更暗弱的天体,通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号,寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。

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