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世界最大單口徑巨型射電望遠鏡在貴州落成啟用

觀星河耿耿,聽宇宙風聲

記者  劉詩瑤

2016年09月26日08:13    來源:人民網-人民日報

工作人員對FAST的饋源艙進行施工。
  新華社記者 劉 續攝

FAST的反射面板底部。
  新華社記者 歐東衢攝

25日,世界上最大的單口徑巨型射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣宣布落成啟用。

這個中國最大的天文工程,將傾聽來自遙遠宇宙最輕柔的“呢喃”:能夠接收到137億光年以外的電磁信號,獲取並分析各種宇宙信息,挖掘隱藏在星空深處的無窮奧秘。

既是世界上最大的單口徑巨型射電望遠鏡,也擁有國際一流的靈敏度和綜合性能

FAST給人的第一感覺就是大:直徑500米,高差173米,從空中俯瞰,它就像一口由群山環抱的“超級大鍋”。

“鍋面”——巨大的球冠形反射面﹔“鍋”正中央懸空的“盒子”——饋源艙﹔支撐“鍋”的無數道線——索網等支撐結構。一點一面多線,看似纖細簡單,卻牢牢撐起了這個龐然大物,並保障了其高超的靈敏度和綜合性能。

窪坑內鋪設的500米球冠狀主動反射面是FAST望遠鏡的關鍵組成部分,共有4450塊反射面板單元,有近30個足球場大。每塊反射面單元邊長為10.4米至12.4米,重427.0千克至482.5千克,厚度約1.3毫米。“由索網結構支撐的反射面通過反射聚焦,將射電信號聚攏到一點上。鋪設一塊塊反射面單元就花了11個月。”FAST工程總工藝師王啟明說。

索網結構會隨著天體的移動自動變化,帶動鋼索網上活動的4450個反射面板產生變化。“球冠反射面在射電源方向形成300米口徑瞬時拋物面,將望遠鏡接收機移動到拋物面的焦點上,可以觀測到40°天頂角內任意方向的天體。”

射電信號聚焦的一點就是“鍋底”正上方懸挂的饋源艙,饋源艙下平台安裝著FAST用來接收宇宙外來信號的饋源接收機,通過它把數據傳輸出去。“與國外的射電望遠鏡不同,FAST的饋源艙可以移動。”FAST工程饋源支撐系統副總工李輝說,“我們的創新之處還在於,將一直以來萬噸級的饋源平台重量降至30噸。”

“沒有精密測控,FAST會變成癱瘓的植物人。”FAST工程測量與控制系統總工朱麗春說,以饋源艙的測控精度為例,進行觀測時,僅僅一個移動艙體的簡單過程,都要經過三級精密測控。“大鍋”裡還佇立著24個放置激光全站儀的基墩,這是進行位置基准的重要設備,工程師們用梅花樁將其打到了地面的基岩,經過3年測試,達到了1毫米的穩定性。

與號稱“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比,FAST望遠鏡靈敏度提高約10倍﹔與美國“阿雷西博”305米望遠鏡相比,其綜合性能提高約10倍,並將在未來10年到20年保持國際一流設備的地位。

選址始於1994年,從前期選址到設計研發、后期維護都由中國科學家完成

“從選址開始,FAST的建造就充滿艱辛不易。”台址與觀測基地系統總工程師朱博勤說。作為我國自主知識產權的大科學裝置,FAST由中國科學家創新設計、研發制造、組織施工。

FAST選址工程始自1994年。“這是件異常復雜的事情,既要考慮電磁波環境、地質條件,還要考慮造價問題。”朱博勤回憶,“在排除了火山口、礦坑和隕石坑等低窪地形后,鎖定了喀斯特地貌。”科學家們總共考察了400多個窪地,經過反復比較論証,最終選定貴州省平塘縣克度鎮金科村的大窩凼窪地。“我們確認,這裡是建造FAST最完美的地點。”

此后,FAST的創意經過10多年反復錘煉,其間對主動反射面、光機電一體化的饋源支撐系統、高精度的測量與控制、接收機等多項關鍵技術開展了長達14年的合作研究,凝聚了來自多家科研單位的眾多中國科學家的創新研究。

為了做好FAST的后期維護,FAST的細節處處透露著科學家的用心。湊近大鍋“鍋面”觀察,三角形的反射面板是白色半透明的,布滿了小孔。側耳傾聽,還有微風穿過面板產生的輕微哨聲。“每塊面板的50%面積都是鏤空的。”王啟明說,考慮到貴州多雨的氣候,這種設計能夠讓雨點穿過面板,落入地面,不會影響反射面。“漂浮物和小顆粒可以通過面板直接過濾,大的物體也能被定期直接清理。這種透風的設計,還能夠減少大氣流動對電波接收的干擾,透光的性能也不妨礙‘鍋底’植被的生長,可謂一舉多得。”王啟明說,這種工藝並不會影響觀測效果。

FAST的靈敏度非常高,極易受到電磁干擾。“除了對望遠鏡進行電磁屏蔽專項設計,還要保護台址周邊寧靜的電波環境。”FAST工程副總經理、辦公室主任張蜀新說,為保護FAST免受電磁干擾,2010年12月電磁兼容工作組成立,負責電磁環境的保護和無線電干擾的協調。貴州省也制定了《貴州省500米口徑球面射電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》,已於2013年起實施。“未來人們想要進入FAST區域,是絕對不允許攜帶手機和照相機等電子設備的。”

能觀測到更多天體,有助於研究宇宙起源、尋找地外文明

“建設射電望遠鏡,越大越好。”王啟明說。FAST望遠鏡的靈敏度,也就是觀測暗弱天體的能力,和其口徑的二次方成正比。其可觀測宇宙空間的體積,即大約可觀測的天體數目,和其口徑的三次方成正比。“FAST投入使用后,可觀測的天體數目將大幅度增加,可為科學家提供更多更好的觀測統計樣本。”

身形龐大的FAST背負重大科學任務。據FAST工程副總工藝師孫才紅介紹,FAST將觀測宇宙中的中性氫,“這有助於研究宇宙大尺度物理學,以探索宇宙起源和演化。”脈沖星觀測也是FAST的重點,“脈沖星是恆星演化的最后階段,通過對它的觀測可以研究極端狀態下的物質結構與物理規律”。此外,還要研究主導國際低頻甚長基線干涉測量網,獲得天體超精細結構。“FAST也擔負著尋找地外文明的任務,探測星際分子,搜索可能的星際通訊信號,包括大家最感興趣的外星人。”孫才紅說。

未來3至5年,FAST的重點工作是調試和試觀測工作。“並不是說今天建成了,明天就能立刻‘下鍋炒菜’。”朱博勤說,對於系統高度復雜的FAST來說,建成並不代表了它的性能已經達到了最優。

“反射面由球狀變為拋物面的變形過程,以及饋源艙的移動精度,都還需要進一步調試。”據他介紹,科學家們還將利用FAST對已被發現的脈沖星進行觀測,以此驗証望遠鏡的各項指標,為發現新的脈沖星做准備。“科學家總是希望能夠獲得高質量的觀測數據,所以未來將通過調試和試觀測,以達到望遠鏡的最佳性能。我們當然也期待過程中會有一些令人驚喜的發現。”

《 人民日報 》( 2016年09月26日 14 版)

(責編:姜萍萍、程宏毅)
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