作者:赵睿 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/8/30 21:02:18
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FAST:凝聚中国创新 倾听宇宙声音

 

“记得刚到FAST的时候,那里只有一个硕大的天坑,周围什么都没有,一片荒凉。从坑底走上来,需要1个多小时的时间。”FAST馈源支撑系统助理工程师李铭哲曾经这样描述过。现在,当你驱车前往克度镇这个偏僻的黔南小镇,再穿过一道道的狭窄山口,到达一个名叫‘大窝凼’的喀斯特洼地时,视野就会被一个500米直径的白色钢环填满,那是史上最大望远镜的圈梁。

从1994年开始,中科院国家天文台联合中科院遥感所、西安电子科技大学、清华大学等30所科研单位和大专院校,都投入到中科院战略先导项目“世界最大单口径射电望远镜”(英文简称FAST)建设中,FAST于2016年9月25日正式竣工。这项历时22年的大科学工程的建成,将中国天文学研究推向了一个更为广深的世界。

廿二载铸就“中国天眼”

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国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”的倡议。他们期望,在全球电信号环境恶化到不可收拾之前,能多收获一些射电信号。建造FAST的动机肇始于此。

“根据国际大环境和我国特有的地理条件,中国天文学家提出在贵州喀斯特洼地中建造大口径球面射电望远镜的建议和工程方案。”中科院国家天文台副研究员岳友岭告诉《中国科学报》记者。

1994年6月,FAST选址工作启动,FAST首席科学家兼总工程师南仁东和他的同事们开始了长达十余年的预研究工作。为了找到最适合的建造位置,项目组成员通过卫星获取和分析了上千个洼坑的数字地形模型(DTM)地图。在没有道路的情况下,足迹踏遍了上百个窝凼和洼坑。这是一项实际执行比预想要困难多的大工程。选择一个好的台址需要考量多种因素,包括洼坑的质地情况、地形地貌、气候、电波环境、当地人口情况、周边环境等。最终,FAST台址确定在贵州省平塘县的‘大窝凼’是综合因素的最优解。

2005年11月,中科院召开院长办公会议,听取各个“十一五”大科学工程的立项申请汇报,南仁东在会上为FAST申请立项并得到通过。2007年7月国家发改委批复FAST工程正式立项,开始了长达9年的设计和建造。

FAST的设计目标,是把覆盖30个足球场的信号,聚集在几厘米大小的空间里。只有这样才能监听到宇宙中微弱的射电信号。500米的结构,框架、索网、接收器,每一部分的位移都要控制在毫米级,FAST才能正常工作,是天文学家从未做过的。

百米口径已接近全可动射电望远镜的极限,建造如此巨大的射电望远镜,国际上没有先例,而500米口径的结构要实现毫米级精度,也前所未有。在选址、主动反射面设计、馈源支撑系统优化、馈源与接收机及关于测量与控制技术等方面,很多技术只能靠我们自己钻研解决。

“超级工程”击破技术难题

FAST是世界上唯一一个完全利用变形反射面工作的射电望远镜,500米的反射面板中有300米的区域实时变形成抛物面,这样就能接收来自不同方向的电磁波。而FAST能动,靠的就是2200多根下拉索。FAST一生中每一根下拉索至少要反复拉伸几十万次,这对下拉索的质量要求特别高。

岳友岭说:“工程上要解决的就是钢索耐疲劳问题。在整个望远镜的生命周期里,钢索要不断地被拉缩,需要的钢索的耐疲劳性能要达到两百万次,超过国家规范,当时世界上没有任何一个国家生产这种钢索。团队做了很多次实验,刚开始几万次就坏掉,后来做到了两百万次的寿命。这项技术的突破填补了国际上的空白。”

钢索的研发成功,促成了十二项自主创新专利成果的形成。世界上跨度最大、精度最高的索网结构在FAST工程身上得以成功运用。

“为了保证望远镜不受电磁干扰,我们对所有的电气设备都进行了评估和电磁防护。” 中科院国家天文台高级工程师甘恒谦向记者解释,在6个塔顶上,为了监测钢丝绳和滑轮的安全要安装一台摄像机,在对摄像机进行电磁屏蔽的同时需要给镜头留出一个窗口观测钢丝绳和滑轮运转的情况。“屏蔽玻璃,是一种中间夹很细的金属丝网的双层玻璃,其金属丝细到肉眼无法分辨,它既满足摄像要求,又满足电磁屏蔽的要求。利用这种屏蔽玻璃生产出来的摄像机屏蔽舱,最后它的屏蔽效果到达80dB(分贝),基本达到业界最高水平。”

像这样创新的例子,在FAST的建造过程中不胜枚举。FAST由主动反射面、馈源支撑、测量与控制、接收机与终端、台址与观测基地等六大系统组成,每一个系统里又有很多个子系统,每一个子系统里又有很多个装置。科学工作者用了22年的时间,自主设计、自主研发了FAST的绝大部分技术。

助力探索宇宙奥秘

南仁东曾经说过,现在我们侦测到的约2000颗脉冲星,全都是银河系内的。别的星系想必也有脉冲星。所以FAST会对准别的星系,发现更远更奇特的脉冲星,研究它们的物理性质。

FAST还可能观测到宇宙中最丰富的元素——中性氢。所谓中性氢,就是宇宙中未聚拢成恒星的自由氢原子。通过观测中性氢信号,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,从而为宇宙演化史提供线索。

未来有FAST望远镜参与组成的太空探测测控网,其测控能力可以延伸到太阳系的外沿,将深空通讯数据下行速率提高几十倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的120纳秒提高至30纳秒,成为国际上最精确的脉冲星计时阵。

平方公里阵列(SKA)总干事菲利普·约翰·戴蒙德曾经这样评价:“中国已对世界天文界作出了很多贡献,FAST的建成更加令人惊叹,它把中国天文学带到世界第一梯队。”

FAST的意义不仅仅限于科学研究上的探索与突破,对伴随着此类大科学工程成长起来的人也产生了巨大的影响。甘恒谦说:“人才培养是我们这种单位的优势,我们自己的学生有很多通过参与这个项目,已经在这个望远镜的调试和维护中担任重要角色。”

目前,望远镜处在整体调试阶段。未来将有能力巡视宇宙中的中性氢、探测星际分子、观测脉冲星、搜寻星际通讯信号,天文学将注定有更多的突破。

 
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2017/8/31 11:56:08 abbmouse
感觉就是忽悠。在地球上,建造天文望远镜是没用的。大气层的干扰太大。这20年前的技术,就像20年前的电视机一样,过时了。
2017/8/31 7:07:49 可变系时空多线矢主人
500米口径镜面的经常清洁工作是怎么解决的?
2017/8/30 22:29:22 xlsd
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目前已有3条评论
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