快捷搜索:

科学知识

当前位置:betway必威官网手机版 > 科学知识 > 观星河耿耿,揭发世界级工程地下边纱

观星河耿耿,揭发世界级工程地下边纱

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-09-22 02:47

2016年9月25日,是举世瞩目的“天眼“——500米口径球面射电望远镜(FAST)竣工的日子。这只在贵州的群山之中凝视着宇宙的”天眼“,即将开始追寻宇宙最深邃的过去,搜索地外文明的踪迹。果壳网科学人再次带你深入工程现场,去领略这只刚刚睁开的天眼。

betway必威官网手机版 1 9月25日,世界最大单口径射电望远镜落成启用 betway必威官网手机版 2

25日,世界上最大的单口径巨型射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县宣布落成启用。

betway必威官网手机版 3

“天眼”当惊世界殊

betway必威官网手机版 4群山环绕的FAST全景(图片来源:中国科学院国家天文台FAST工程办公室)

“希望能有划时代的发现。”科幻小说家刘慈欣早前在出席FAST项目完工仪式时这样对媒体说。不可否认,划时代的发现和望远镜关系紧密,望远镜对人类探索宇宙和地外文明至关重要。

这个中国最大的天文工程,将倾听来自遥远宇宙最轻柔的“呢喃”:能够接收到137亿光年以外的电磁信号,获取并分析各种宇宙信息,挖掘隐藏在星空深处的无穷奥秘。

工作人员对FAST的馈源舱进行施工。 新华社记者 刘 续摄

betway必威官网手机版 5

FAST“藏在”贵州省平塘县克度镇大窝凼群山环绕的天然喀斯特洼坑里。这个巨大的洼坑本身,就是FAST的三大创新之一。选择把“天眼”安放在这里,不仅节省了巨额的工程开支,环抱的群山还为“天眼”的观测创造了宁静的工作环境。

9月25日,一口“大锅”在中国贵州省平塘县克度镇的大山里建设完毕。“大锅”是百姓对它的俗称,其实它有一个很学术的名字:500米口径球面射电望远镜,简称FAST。按照设计,这口大锅能够“看”到远在137亿光年的星体。

betway必威官网手机版,既是世界上最大的单口径巨型射电望远镜,也拥有国际一流的灵敏度和综合性能

betway必威官网手机版 6

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

“天眼”的工作原理其实跟咱们平时常见的锅式天线差不多,通过抛物面把采集到的信号反射到接收信号的馈源舱里,再由相应的信号处理系统对接收到的信号进行处理。只不过,“天眼“有世界级的超大口径,采集的是来自宇宙的海量信息,而它的大脑,是曙光超级计算机。

提前“上岗”的“天眼”

FAST给人的第一感觉就是大:直径500米,高差173米,从空中俯瞰,它就像一口由群山环抱的“超级大锅”。

FAST的反射面板底部。 新华社记者 欧东衢摄

betway必威官网手机版 7

这只大眼睛是由4450块反射面板拼在一起组成的。与普通锅式天线相比,它的反射面是个球面。说得再通俗一点,从侧面看,“天眼”要比普通的锅式天线更深一些。这个巨大的反射面摊开来足有30个足球场那么大,真真一口“名副其实”的“大锅”。

在FAST完工之前,科研人员也做一些试验观测,检测设备性能。没想到,在9月17日的一次试观测中,FAST就接收到了一颗距离地球1351光年的脉冲星的信号。国家天文台副研究员钱磊在接受媒体采访时说,我们试观测得到的最好的脉冲星数据是J1921 2153星的数据。这颗星位于1351光年以外,我们现在接收到的这些电磁波,是它在大约1351年以前发出的。

“锅面”——巨大的球冠形反射面;“锅”正中央悬空的“盒子”——馈源舱;支撑“锅”的无数道线——索网等支撑结构。一点一面多线,看似纤细简单,却牢牢撑起了这个庞然大物,并保障了其高超的灵敏度和综合性能。

9月25日,世界上最大的单口径巨型射电望远镜——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宣布落成启用。

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

betway必威官网手机版 8从侧面看,真的是通通透透一口“锅”(摄影/明天) 

大锅其实就是天线,通过它能够接收到遥远星空的电磁波。这就像家用“锅盖天线”,锅盖口径越大,能看的电视台越多,画面也越清晰。FAST工程总工艺师王启明说,全世界的射电天文学家都在追求建造更大口径的望远镜,以提高灵敏度。

洼坑内铺设的500米球冠状主动反射面是FAST望远镜的关键组成部分,共有4450块反射面板单元,有近30个足球场大。每块反射面单元边长为10.4米至12.4米,重427.0千克至482.5千克,厚度约1.3毫米。“由索网结构支撑的反射面通过反射聚焦,将射电信号聚拢到一点上。铺设一块块反射面单元就花了11个月。”FAST工程总工艺师王启明说。

这个中国最大的天文工程,将倾听来自遥远宇宙最轻柔的“呢喃”:能够接收到137亿光年以外的电磁信号,获取并分析各种宇宙信息,挖掘隐藏在星空深处的无穷奥秘。

betway必威官网手机版 9

FAST的第二大创新,是为了让这口大锅能更好更精确地采集来自天空中某个区域的信号。首先,这口“大锅”被“端起来”架在一个周长1600米的环形圈梁上。离开地面的“锅底”上的每一块反射面板都被一根根钢索迁拉着,形成一张巨大的索网。在上万根钢索的牵拉下,这几千块反射板能够在“锅底”形成一个300米直径的瞬时抛物面,汇聚来自某一个方向的电磁波,就好像“天眼”里转动的“瞳孔”,可以随时“望”向令它着迷的远方。相比之下,美国的阿雷西博望远镜虽然也不小,但是它的眼睛就永远只能盯着一个方向。

在FSAT建成之前,世界有两个最大的射电“天眼”。德国100米直径的“埃菲尔斯伯格”和美国300米直径的“阿雷西博”。天文学家还想要更大口径、更高灵敏度的望远镜。

索网结构会随着天体的移动自动变化,带动钢索网上活动的4450个反射面板产生变化。“球冠反射面在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面,将望远镜接收机移动到抛物面的焦点上,可以观测到40°天顶角内任意方向的天体。”

既是世界上最大的单口径巨型射电望远镜,也拥有国际一流的灵敏度和综合性能

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?观星河耿耿,揭发世界级工程地下边纱。 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)

betway必威官网手机版 10FAST的圈梁结构和反射面索网液压促动系统。每一块反射面板的背后都有一根牵拉索和一套液压促动系统相连,精准地实现满足天文观测需求的300米口径瞬时抛物面(摄影/明天)

1993年在东京召开的国际无线电科学联盟大会上,包括中国在内的10个国家的天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”的设想。他们期望,在地球的电波环境被彻底破坏之前,真正看一眼初始的宇宙,弄清宇宙结构是如何形成和演化的,只有大射电望远镜才能帮助人类实现这一梦想。如果失去这一机会,人类就只能到月球背面去建造同样口径的望远镜了。

观星河耿耿,揭发世界级工程地下边纱。射电信号聚焦的一点就是“锅底”正上方悬挂的馈源舱,馈源舱下平台安装着FAST用来接收宇宙外来信号的馈源接收机,通过它把数据传输出去。“与国外的射电望远镜不同,FAST的馈源舱可以移动。”FAST工程馈源支撑系统副总工李辉说,“我们的创新之处还在于,将一直以来万吨级的馈源平台重量降至30吨。”

FAST给人的第一感觉就是大:直径500米,高差173米,从空中俯瞰,它就像一口由群山环抱的“超级大锅”。

只有“瞳孔”可以转动还不够。光线射入眼睛,需要投射在视网膜上才能被最终处理成眼前的风景。“天眼”的“视网膜”,就是由6根钢索吊在“锅里”的馈源舱。

中国人承担了追求天文学家这一梦想的实践。

“没有精密测控,FAST会变成瘫痪的植物人。”FAST工程测量与控制系统总工朱丽春说,以馈源舱的测控精度为例,进行观测时,仅仅一个移动舱体的简单过程,都要经过三级精密测控。“大锅”里还伫立着24个放置激光全站仪的基墩,这是进行位置基准的重要设备,工程师们用梅花桩将其打到了地面的基岩,经过3年测试,达到了1毫米的稳定性。

“锅面”——巨大的球冠形反射面;“锅”正中央悬空的“盒子”——馈源舱;支撑“锅”的无数道线——索网等支撑结构。一点一面多线,看似纤细简单,却牢牢撑起了这个庞然大物,并保障了其高超的灵敏度和综合性能。

betway必威官网手机版 11悬吊在“锅里”的馈源舱(图片来源:中国科学院国家天文台FAST工程办公室)

精度到毫米的“天眼”

与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST望远镜灵敏度提高约10倍;与美国“阿雷西博”305米望远镜相比,其综合性能提高约10倍,并将在未来10年到20年保持国际一流设备的地位。

洼坑内铺设的500米球冠状主动反射面是FAST望远镜的关键组成部分,共有4450块反射面板单元,有近30个足球场大。每块反射面单元边长为10.4米至12.4米,重427.0千克至482.5千克,厚度约1.3毫米。“由索网结构支撑的反射面通过反射聚焦,将射电信号聚拢到一点上。铺设一块块反射面单元就花了11个月。”FAST工程总工艺师王启明说。

看着不大对不对?巨型“天眼”的“小小”馈源舱重达30吨。所谓“馈源”,就是汇聚收集所有从宇宙中接收到的信号的设备,馈源舱就是用来安放这些设备的地方。要想最大限度的接收大锅采集反射回来的信号,馈源舱就必须像传统的锅式天线一样处在焦点的位置上。这下问题就来了,还记得刚才说过的吧?“天眼”的“瞳孔”是会转动的!4450片反射板可以在钢索的牵拉下根据观测的需要可以随时改变瞬时抛物面的朝向。相应的,”天眼“的“视网膜”也就必须得能跟着瞳孔一起动才行。否则?就是睁眼瞎喽。

FAST灵敏度极高,能够接收遥远脉冲星发射的电磁波,包括极其微弱的电磁波。

选址始于1994年,从前期选址到设计研发、后期维护都由中国科学家完成

索网结构会随着天体的移动自动变化,带动钢索网上活动的4450个反射面板产生变化。“球冠反射面在射电源方向形成300米口径瞬时抛物面,将望远镜接收机移动到抛物面的焦点上,可以观测到40°天顶角内任意方向的天体。”

betway必威官网手机版 12吊在锅里“小小”的馈源舱(摄影/明天)

脉冲星1967年被发现,是一种高速旋转的中子星,具有超强的磁场。有的脉冲星每秒可以自转几百圈,就像海边灯塔,旋转的光柱不停地扫过地球。

“从选址开始,FAST的建造就充满艰辛不易。”台址与观测基地系统总工程师朱博勤说。作为我国自主知识产权的大科学装置,FAST由中国科学家创新设计、研发制造、组织施工。

射电信号聚焦的一点就是“锅底”正上方悬挂的馈源舱,馈源舱下平台安装着FAST用来接收宇宙外来信号的馈源接收机,通过它把数据传输出去。“与国外的射电望远镜不同,FAST的馈源舱可以移动。”FAST工程馈源支撑系统副总工李辉说,“我们的创新之处还在于,将一直以来万吨级的馈源平台重量降至30吨。”

 想让这个30吨重的大家伙动起来可不是件容易的事。看到照片里围在“锅边”的6座巨大的高塔了吗?他们是“馈源支撑塔”,高的有168米,最矮的也有128米。每座塔都有一根钢索拉住馈源舱的一个角,把它悬吊在“锅里”。收放这6根钢索,就能拉着馈源舱在“锅里”移动,满足收集信号的需要。

国家天文台副研究员钱磊说,高频的电磁波先到达地球,低频的电磁波有个延迟。当地球与脉冲星距离很远时,这个延迟的量就大。我们就是利用这个延迟的量来推断脉冲星与地球的距离的。

FAST选址工程始自1994年。“这是件异常复杂的事情,既要考虑电磁波环境、地质条件,还要考虑造价问题。”朱博勤回忆,“在排除了火山口、矿坑和陨石坑等低洼地形后,锁定了喀斯特地貌。”科学家们总共考察了400多个洼地,经过反复比较论证,最终选定贵州省平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地。“我们确认,这里是建造FAST最完美的地点。”

“没有精密测控,FAST会变成瘫痪的植物人。”FAST工程测量与控制系统总工朱丽春说,以馈源舱的测控精度为例,进行观测时,仅仅一个移动舱体的简单过程,都要经过三级精密测控。“大锅”里还伫立着24个放置激光全站仪的基墩,这是进行位置基准的重要设备,工程师们用梅花桩将其打到了地面的基岩,经过3年测试,达到了1毫米的稳定性。

 betway必威官网手机版 13巨大的馈源支撑塔(摄影/明天)

FAST能有如此高的灵敏度是设计建造者追求毫米精度的结果。

此后,FAST的创意经过10多年反复锤炼,其间对主动反射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精度的测量与控制、接收机等多项关键技术开展了长达14年的合作研究,凝聚了来自多家科研单位的众多中国科学家的创新研究。

与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST望远镜灵敏度提高约10倍;与美国“阿雷西博”305米望远镜相比,其综合性能提高约10倍,并将在未来10年到20年保持国际一流设备的地位。

“收放自如”的馈源舱是FAST的又一大创新。不论反射面如何变化,通过馈源支撑塔悬挂的轻型索拖动机构的牵拉和并联机器人的二次精调,馈源舱能够随着反射面的变化需求,在规定的时间,准确无误的到达规定的位置。有多精确?30吨重的馈源舱,在一百多米的高空,直径两百多米的球面上,实现误差小于10毫米的定位!

望远镜是通过天线锅来接收信号的。FAST工程总工艺师王启明告诉记者,主动反射面是FAST的重要组成部分,通过它的反射聚焦,把信号聚拢到一点上,提供给馈源接收机接收。

为了做好FAST的后期维护,FAST的细节处处透露着科学家的用心。凑近大锅“锅面”观察,三角形的反射面板是白色半透明的,布满了小孔。侧耳倾听,还有微风穿过面板产生的轻微哨声。“每块面板的50%面积都是镂空的。”王启明说,考虑到贵州多雨的气候,这种设计能够让雨点穿过面板,落入地面,不会影响反射面。“漂浮物和小颗粒可以通过面板直接过滤,大的物体也能被定期直接清理。这种透风的设计,还能够减少大气流动对电波接收的干扰,透光的性能也不妨碍‘锅底’植被的生长,可谓一举多得。”王启明说,这种工艺并不会影响观测效果。

选址始于1994年,从前期选址到设计研发、后期维护都由中国科学家完成

betway必威官网手机版 14反射面上凸起的小黄点,其实是这些黄色的大柱子。它们是“天眼”转动的“灯塔”。它的稳定性,是实现反射面和馈源舱能够精准无误的协同运动的基准。知道它有多稳吗?3年的风吹日晒,它的误差只有1毫米(摄影/明天)

要安装反射面,就需要先制造和安装索网。这是世界上跨度最大、精度最高的索网结构。索网由约7000根主索和2300根下拉索组成。索网上镶嵌着4450块反射板,每块边长10.4—12.4米,每块单元重427.0—482.5公斤,厚度约1.3毫米。

FAST的灵敏度非常高,极易受到电磁干扰。“除了对望远镜进行电磁屏蔽专项设计,还要保护台址周边宁静的电波环境。”FAST工程副总经理、办公室主任张蜀新说,为保护FAST免受电磁干扰,2010年12月电磁兼容工作组成立,负责电磁环境的保护和无线电干扰的协调。贵州省也制定了《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》,已于2013年起实施。“未来人们想要进入FAST区域,是绝对不允许携带手机和照相机等电子设备的。”

“从选址开始,FAST的建造就充满艰辛不易。”台址与观测基地系统总工程师朱博勤说。作为我国自主知识产权的大科学装置,FAST由中国科学家创新设计、研发制造、组织施工。

随着“天眼”睁开,投入使用的FAST将首先进入调试-试运行观测阶段的工作。科学家们期望在未来的3-5年内能够通过试运行,让整套系统达到期望的观测精度与能力,获取高质量的观测数据,进而为人类获取关于宇宙的起源和演化、脉冲星、精准时钟、深空导航,甚至是地外文明探索等更多关于宇宙的新知。

FAST的主动反射面大约25万平方米,相当于30个足球场的面积。FAST的设计目标就是把这覆盖30个足球场的信号,聚集在一个药片大小的空间里,这就必须达到毫米级精度。

能观测到更多天体,有助于研究宇宙起源、寻找地外文明

FAST选址工程始自1994年。“这是件异常复杂的事情,既要考虑电磁波环境、地质条件,还要考虑造价问题。”朱博勤回忆,“在排除了火山口、矿坑和陨石坑等低洼地形后,锁定了喀斯特地貌。”科学家们总共考察了400多个洼地,经过反复比较论证,最终选定贵州省平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地。“我们确认,这里是建造FAST最完美的地点。”

与科学家们同样兴奋的,还有平塘县距离FAST几公里之遥的克度镇。在为“天眼”选址的时候,这座始建于元朝的小镇上甚至还有人家连电都没有。这也正是“天眼”落户这里的原因之一——射电望远镜的观测虽然不受天气的影响,但却对无线电干扰非常敏感。电视、电台、手机,所有无线电数据的传输都会对“天眼”的观测造成干扰。没有工业、人口稀少、甚至附近小镇连电都没通的大窝凼简直就是个完美的选择,在“天眼”周边设立5公里的电磁波宁静区简单可行。

同样,接收无线电信号的馈源舱定位也需要控制在毫米级的水平。FAST工程副总工艺师孙才红告诉记者,我们通过6个铁塔下机房内的卷扬机收放钢索,从而驱动馈源舱在一个距离地面高140—180米、直径为207米的空中球冠面上运动,从而精确地到达反射面的焦点位置,实现对射电源的跟踪、扫描。可以说,每一部分的位移都要控制在毫米级。

“建设射电望远镜,越大越好。”王启明说。FAST望远镜的灵敏度,也就是观测暗弱天体的能力,和其口径的二次方成正比。其可观测宇宙空间的体积,即大约可观测的天体数目,和其口径的三次方成正比。“FAST投入使用后,可观测的天体数目将大幅度增加,可为科学家提供更多更好的观测统计样本。”

此后,FAST的创意经过10多年反复锤炼,其间对主动反射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精度的测量与控制、接收机等多项关键技术开展了长达14年的合作研究,凝聚了来自多家科研单位的众多中国科学家的创新研究。

betway必威官网手机版 15在“天眼”观景台上鸟瞰“天眼”和整个景区。画面右边山坳里的“小眼睛”是新建成的平塘国际射电天文科学旅游文化产业园FAST游客服务中心(摄影/明天)

正是这些毫米级的精细控制,才保证了FAST的高灵敏度。工程常务副经理郑晓年说,FAST的灵敏度将比德国的“埃菲尔斯伯格”提高约10倍,综合性能将比美国“阿雷西博”提高约10倍。

身形庞大的FAST背负重大科学任务。据FAST工程副总工艺师孙才红介绍,FAST将观测宇宙中的中性氢,“这有助于研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化。”脉冲星观测也是FAST的重点,“脉冲星是恒星演化的最后阶段,通过对它的观测可以研究极端状态下的物质结构与物理规律”。此外,还要研究主导国际低频甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构。“FAST也担负着寻找地外文明的任务,探测星际分子,搜索可能的星际通讯信号,包括大家最感兴趣的外星人。”孙才红说。

为了做好FAST的后期维护,FAST的细节处处透露着科学家的用心。凑近大锅“锅面”观察,三角形的反射面板是白色半透明的,布满了小孔。侧耳倾听,还有微风穿过面板产生的轻微哨声。“每块面板的50%面积都是镂空的。”王启明说,考虑到贵州多雨的气候,这种设计能够让雨点穿过面板,落入地面,不会影响反射面。“漂浮物和小颗粒可以通过面板直接过滤,大的物体也能被定期直接清理。这种透风的设计,还能够减少大气流动对电波接收的干扰,透光的性能也不妨碍‘锅底’植被的生长,可谓一举多得。”王启明说,这种工艺并不会影响观测效果。

然而,今天的克度镇早没了当年的模样。小镇如今是通往平塘县“天眼”旅游区的必经之路。不大的小镇到处可以看到“探索星空奥秘”,“打造天文小镇”的标语。沿路几乎每隔几百米就有一家“天文宾馆“,崭新的五星级酒店还为每间客房配备了天文望远镜。大家期待的,不仅仅是一睹“天眼”的风采,更想通过这只“眼睛”,去亲眼看看那些遥远的幻想与传说。虽然,这些与当初选址的初衷多少都有些背道而驰。

会转动眼珠的“天眼”

未来3至5年,FAST的重点工作是调试和试观测工作。“并不是说今天建成了,明天就能立刻‘下锅炒菜’。”朱博勤说,对于系统高度复杂的FAST来说,建成并不代表了它的性能已经达到了最优。

FAST的灵敏度非常高,极易受到电磁干扰。“除了对望远镜进行电磁屏蔽专项设计,还要保护台址周边宁静的电波环境。”FAST工程副总经理、办公室主任张蜀新说,为保护FAST免受电磁干扰,2010年12月电磁兼容工作组成立,负责电磁环境的保护和无线电干扰的协调。贵州省也制定了《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》,已于2013年起实施。“未来人们想要进入FAST区域,是绝对不允许携带手机和照相机等电子设备的。”

对于FAST团队来说,建设落成其实才只是一个开始,如何用好这只巨大的“天眼”,看到渴望的风景,才是更加令人期待的未来。 (编辑:Sol_阳阳)

“这只硕大的天眼它是可以活动的。”王启明说,根据观测的方向,它会拉扯索网来变形天线锅。如同人类转动自己的眼珠,这样遥远的太空对它来说将不存在方向上的死角。美国阿雷西博望远镜,它是固定在地面上不动的。

“反射面由球状变为抛物面的变形过程,以及馈源舱的移动精度,都还需要进一步调试。”据他介绍,科学家们还将利用FAST对已被发现的脉冲星进行观测,以此验证望远镜的各项指标,为发现新的脉冲星做准备。“科学家总是希望能够获得高质量的观测数据,所以未来将通过调试和试观测,以达到望远镜的最佳性能。我们当然也期待过程中会有一些令人惊喜的发现。”(本报记者 刘诗瑶)

能观测到更多天体,有助于研究宇宙起源、寻找地外文明

betway必威官网手机版 16克度镇上应景的五星大酒店(摄影/明天)

据介绍,FAST靠锅底的变形来变换天线的方向,变形是由与索网相连的2000多个小电机控制的。这些电机配合动作,控制着索网的形状。整个变形过程,由激光定位系统来校准。

来源:《 人民日报 》( 2016年09月26日 14 版)

“建设射电望远镜,越大越好。”王启明说。FAST望远镜的灵敏度,也就是观测暗弱天体的能力,和其口径的二次方成正比。其可观测宇宙空间的体积,即大约可观测的天体数目,和其口径的三次方成正比。“FAST投入使用后,可观测的天体数目将大幅度增加,可为科学家提供更多更好的观测统计样本。”

4450块反射板形成一个巨大的球面,这个球面通过索网体系可以变形。索网中的下拉索是与促动器和地锚相连接的,需要球面变形时,促动器会拉动索网实现球面变形。变形中会在适当的位置形成一个300米直径的抛物面(只有抛物面才能聚焦信号),使信号汇聚到一点,让馈源舱能够接收。

身形庞大的FAST背负重大科学任务。据FAST工程副总工艺师孙才红介绍,FAST将观测宇宙中的中性氢,“这有助于研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化。”脉冲星观测也是FAST的重点,“脉冲星是恒星演化的最后阶段,通过对它的观测可以研究极端状态下的物质结构与物理规律”。此外,还要研究主导国际低频甚长基线干涉测量网,获得天体超精细结构。“FAST也担负着寻找地外文明的任务,探测星际分子,搜索可能的星际通讯信号,包括大家最感兴趣的外星人。”孙才红说。

6索并联驱动控制系统是FAST项目核心部件馈源舱的主控制系统,它可以控制馈源舱进行姿态位置调整,从而精确地达到反射面的焦点位置,使馈源舱获取信号能力达到最佳。就像人的睫状体一样,能够调节眼球的焦距使眼球能清晰地看清远近物体。

未来3至5年,FAST的重点工作是调试和试观测工作。“并不是说今天建成了,明天就能立刻‘下锅炒菜’。”朱博勤说,对于系统高度复杂的FAST来说,建成并不代表了它的性能已经达到了最优。

“作为世界最大的单口径望远镜,FAST有望在未来20—30年保持世界一流设备的地位。”郑晓年说。

“反射面由球状变为抛物面的变形过程,以及馈源舱的移动精度,都还需要进一步调试。”据他介绍,科学家们还将利用FAST对已被发现的脉冲星进行观测,以此验证望远镜的各项指标,为发现新的脉冲星做准备。“科学家总是希望能够获得高质量的观测数据,所以未来将通过调试和试观测,以达到望远镜的最佳性能。我们当然也期待过程中会有一些令人惊喜的发现。”

瞄准地外生命的“天眼”

(原载于《人民日报》 2016年09月26日 14版)

国家天文台副研究员郑永春博士在介绍FAST的用途时说,FAST主要用于研究脉冲星、中性氢、黑洞吞噬小天体、星体演化、外星文明搜寻等。

科学家希望能够借助FAST发现更多的脉冲星。FAST工程首席科学家、总工程师南仁东说,现在我们观测到的2000多颗脉冲星,全都是银河系内的。想必别的星系也会有脉冲星。FAST会对准别的星系,发现更多奇特的脉冲星,了解它到底是什么。

中性氢云团的运动也是FAST观测的科学目标之一。中性氢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。中性氢云团的运动反映了早期宇宙的蛛丝马迹。FAST观测中性氢,就可能获知星系之间互动的细节,甚至发现第一代天体以及宇宙漫长发育历程的线索。

当然,公众最感兴趣的还是FAST能否搜寻到外星文明。1967年,科学家在发现脉冲星时,看到这种电磁信号极其规律,因而认为这是外星人发出的信号,后来才知道这是一种高密度恒星的信号。工程副总工艺师孙才红说,无线电台、卫星电视发出的无线电信号,都存在人为编码。而天体信号是一种类似有规则的随机信号,不会有人为调制的痕迹。如果FAST能收到太空中有编码的信号,肯定不属于天体现象。那会不会是外星文明呢?

孤独的地球人类总是希望宇宙中能有自己的难兄难弟。连美国《基督教科学箴言报》在报道FAST时也迎合了一下读者的口味:“中国刚刚建成的全球最大单口径射电望远镜将可能回答人类探索宇宙的一个最古老问题:外太空是否有其他生命的存在?”

我们等待着FAST的回答。

(原载于《科技日报》2016-09-29 05版)

本文由betway必威官网手机版发布于科学知识,转载请注明出处:观星河耿耿,揭发世界级工程地下边纱

关键词: