您現(xiàn)在的位置:海峽網(wǎng)>新聞中心>國內(nèi)頻道>國內(nèi)新聞
分享

世界最大最靈敏單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——

“中國天眼”,聆聽宇宙的聲音

2021年3月31日,“中國天眼”(FAST)正式向全球天文學(xué)家開放。“中國天眼”是什么?它是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)、用于探索宇宙的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。有了它,可以推動對宇宙深空的了解與探測,為天文學(xué)的發(fā)展提供新的可能。

“中國天眼”有多大?它口徑500米,發(fā)射面積相當(dāng)于30個標(biāo)準(zhǔn)足球場那么大。如果在里面倒?jié)M礦泉水,全世界70億人平均每人可分4瓶。它能看多遠(yuǎn)?能看穿130多億光年的區(qū)域,接近宇宙邊緣。目前,“中國天眼”是世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。

借鑒拋物面天線原理,從地球聆聽來自宇宙的信號

“中國天眼”的學(xué)名是500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡。不同于常見的通過可見光進(jìn)行觀測的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,射電望遠(yuǎn)鏡通過接收宇宙中不可見的無線電波來“觀測”宇宙。我們上方厚厚的大氣層有兩個“窗口”: 一個是可見光窗口,千百年來人類都是通過這個窗口觀測宇宙的;一個是無線電窗口,上世紀(jì)30年代,無線電天文學(xué)先驅(qū)卡爾·央斯基偶然發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的信號,射電天文學(xué)的大幕由此拉開,推動人類認(rèn)識宇宙起源、生命起源。

“中國天眼”是當(dāng)今射電天文學(xué)的“重器”。其基本原理是什么呢?我們都知道,平行電磁波遇到拋物面反射后會匯聚到焦點(diǎn)的位置。對射電望遠(yuǎn)鏡來說,把反射面做成拋物面的形狀,然后在焦點(diǎn)位置放置一臺接收機(jī),就可以匯集天體發(fā)出的電磁波信號,從而進(jìn)行天文觀測。拋物面的面積越大,匯集的信號就越多,也就越能探測到更暗弱、更遙遠(yuǎn)的天體。所以,自卡爾·央斯基意外發(fā)現(xiàn)射電天文觀測窗口之后,各國天文學(xué)家就一直致力于建造反射面盡可能大的巨型射電望遠(yuǎn)鏡。

與此同時(shí),伴隨人類對無線電的大規(guī)模使用,產(chǎn)生了越來越多的無線電波,干擾了人類對太空信號的接收。在1993年國際無線電大會上,包括中國在內(nèi)的多個國家提出倡議,希望在地球電磁波環(huán)境被破壞之前,建造出超大口徑的射電望遠(yuǎn)鏡。次年,以南仁東先生為代表的中國科學(xué)家開始“中國天眼”的探索,開啟了“把不可能變成可能”的征途。

難度大、突破多,“中國天眼”在靈敏度上占據(jù)制高點(diǎn)

到底能建口徑多大的望遠(yuǎn)鏡,取決于最終找到多大的洼地。適宜的洼地非常難找,因?yàn)樗瑫r(shí)符合四大條件。首先要足夠大、足夠圓,否則只是開挖和支護(hù)成本就會讓這個項(xiàng)目無法實(shí)現(xiàn);其次,要遠(yuǎn)離人口密集區(qū)域,這樣才能保證優(yōu)良的電波環(huán)境;再次,不能積水,不然設(shè)備壽命難以保證;最后,還要有優(yōu)良的地質(zhì)條件,否則無法建成大型、高精度的天文觀測設(shè)備。

從1994年到2006年,南仁東帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì),從8000多幅地圖中選出300多個洼坑,再進(jìn)一步將范圍縮小至幾十個。團(tuán)隊(duì)幾乎走遍這些洼地,現(xiàn)場踏勘,風(fēng)餐露宿。最終,將臺址定在貴州平塘縣克度鎮(zhèn)的大窩凼洼地。

臺址確定后,如何設(shè)計(jì)、如何實(shí)現(xiàn)、建成之后如何調(diào)試和使用,都沒有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以借鑒:關(guān)鍵技術(shù)無先例可循、關(guān)鍵材料需從頭研制。

“中國天眼”設(shè)計(jì)不同于世界上已有的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡,這首先體現(xiàn)在“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”的設(shè)計(jì)上。“視網(wǎng)膜”指反射面;“瞳孔”指饋源艙,即放置接收宇宙外信號裝置系統(tǒng)的艙體。

作為世界首創(chuàng),“中國天眼”的“視網(wǎng)膜”是主動反射面,可以改變形狀,一會兒是球面,一會兒是拋物面。具體來說,這張龐大的可動的“視網(wǎng)膜”是一張由6670根鋼索編制的索網(wǎng),掛在一個由50根巨大鋼柱支撐的直徑500米的圈梁上;索網(wǎng)上鋪有4450塊、380多種反射面單元;索網(wǎng)下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面上的作動器上,通過操縱作動器,拉動下拉索來改變索網(wǎng)形狀,從而對天文信號進(jìn)行收集和觀測。

“中國天眼”的“瞳孔”即饋源艙,也是一個大膽的突破性設(shè)計(jì)。大多數(shù)傳統(tǒng)射電望遠(yuǎn)鏡的“瞳孔”位置是固定的,或僅可以微調(diào)。“中國天眼”則完全不同,采用的是全新的輕型索驅(qū)動控制系統(tǒng),這讓“中國天眼”的“瞳孔”可以自如改變角度和位置,更有效地收集、跟蹤、監(jiān)測更豐富的宇宙電磁波。

從體量來說,原世界第一大射電望遠(yuǎn)鏡的饋源艙重1000多噸,“中國天眼”饋源艙重僅約30噸。體積小帶來多方面的優(yōu)勢,比如可有效減少光路遮擋、減少干擾信號,從而讓波束非常干凈,更有利于天文觀測。

“中國天眼”在設(shè)計(jì)上的突破創(chuàng)新,為“從圖紙到現(xiàn)實(shí)”的制造帶來巨大挑戰(zhàn)。而應(yīng)對挑戰(zhàn)的過程,也正是國產(chǎn)精準(zhǔn)制造不斷創(chuàng)造奇跡的過程。比如,要實(shí)現(xiàn)反射面(即索網(wǎng))可改變形狀這個世界首創(chuàng)設(shè)計(jì),要求構(gòu)成索網(wǎng)的鋼索像彈簧一樣有一定伸縮性,疲勞強(qiáng)度是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的兩倍多,國際上未有先例;還要求每根鋼索的加工精度要達(dá)到1毫米,把傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)提升了一個數(shù)量級。

兩年來,科學(xué)家們持續(xù)全方位地改進(jìn)索體工藝,一根鋼索要進(jìn)行200萬次疲勞實(shí)驗(yàn)。經(jīng)歷了近百次的失敗后,最終成功解決了這個關(guān)鍵問題,實(shí)現(xiàn)了3項(xiàng)世界創(chuàng)舉:超大跨度、超高精度、主動變位式的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

建設(shè)完成之后,“中國天眼”進(jìn)入調(diào)試階段。巨型望遠(yuǎn)鏡調(diào)試涉及天文、測量、控制、電子學(xué)、機(jī)械、結(jié)構(gòu)等眾多學(xué)科,是強(qiáng)交叉學(xué)科的應(yīng)用性研究,國際上傳統(tǒng)大射電望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試周期很少低于4年。“中國天眼”開創(chuàng)了新模式,其調(diào)試工作也更具挑戰(zhàn)性。

截至目前,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)跟蹤、漂移、運(yùn)動掃描、編織掃描等,提前完成功能性調(diào)試。在性能調(diào)試方面,“中國天眼”直徑500米,卻要實(shí)現(xiàn)毫米級的精度,難度相當(dāng)大。當(dāng)前,望遠(yuǎn)鏡測量基準(zhǔn)網(wǎng)的精度已提升至1毫米以內(nèi),其中,靈敏度水平是世界第二大望遠(yuǎn)鏡的2.5倍,這是中國建造的望遠(yuǎn)鏡第一次在靈敏度這個參數(shù)上占據(jù)制高點(diǎn)。另外,19波束已經(jīng)完成安裝,其意義也非常重大:可將望遠(yuǎn)鏡視場擴(kuò)大至原來的19倍,大幅提升望遠(yuǎn)鏡的巡天效率。

“中國天眼”專利技術(shù)被運(yùn)用于多個領(lǐng)域,持續(xù)孵化科學(xué)新成果

“中國天眼”團(tuán)隊(duì)敢想敢做,難度大、挑戰(zhàn)大,其設(shè)計(jì)、建造的過程既是攻堅(jiān)克難的過程,也是創(chuàng)新性成果相繼產(chǎn)生的過程。許多具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)相繼誕生并得到應(yīng)用。比如,超高疲勞性能鋼索結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于大型體育場館,高精度索結(jié)構(gòu)生產(chǎn)體系被應(yīng)用于港珠澳大橋等建設(shè)。

在整個制造、安裝過程中還產(chǎn)生了許多國家級、省級工法。比如,在為“中國天眼”鋪設(shè)“視網(wǎng)膜”過程中,4450塊反射單元、6670根鋼索、上萬個關(guān)節(jié)軸承,都是工人們在幾十米高空一塊塊、一根根、一個個拼裝完成的,容錯率為零。這些復(fù)雜工法將有助于未來大型復(fù)雜項(xiàng)目的精準(zhǔn)建造。

可以說,“中國天眼”是一個現(xiàn)代工程奇跡,它凝結(jié)了20多個科研機(jī)構(gòu)、上百名科研人員的心血,匯聚了幾千名一線工人的汗水。建造條件艱苦,很多人在現(xiàn)場工作幾天,身上就會起滿紅疙瘩。潮濕、陰冷的工棚沒有空調(diào)或暖氣,每個人的被子潮濕得快要擠出水來。常有人說,只有中國才能做成“天眼”,我想,做成“天眼”所依靠的,就是這種永不言棄、眾志成城的精神。

2017年10月,“中國天眼”首批科學(xué)成果公諸于世。如今,基于“中國天眼”數(shù)據(jù)發(fā)表的高水平論文已有70余篇;所發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量已超過300顆,是同一時(shí)期國際上所有其它望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)數(shù)量總和的3倍。為什么發(fā)現(xiàn)脈沖星至關(guān)重要?脈沖星是正在快速旋轉(zhuǎn)的中子星,密度極高,每立方厘米重達(dá)上億噸。它自身如燈塔一般散射光芒,時(shí)時(shí)刻刻地掃描著宇宙;它自轉(zhuǎn)速度很快、自轉(zhuǎn)周期精確,堪稱宇宙中最精確的時(shí)鐘。因此,把握脈沖星,有利于建立“宇宙導(dǎo)航系統(tǒng)”,有助于人類在未來實(shí)現(xiàn)星際旅行的夢想。

接下來,“中國天眼”將進(jìn)一步在低頻引力波探測、快速射電暴起源、星際分子等前沿方向加大探索,加強(qiáng)國內(nèi)外開放共享,推動重大成果產(chǎn)出,勇攀世界科技高峰。我們青年一代科學(xué)家也將努力“用”好凝結(jié)了中國4代科學(xué)家心血的“天眼”,產(chǎn)生更多科研成果,推動人類對宇宙的探索和認(rèn)知。

(姜鵬 FAST總工程師)

責(zé)任編輯:趙睿

       特別聲明:本網(wǎng)登載內(nèi)容出于更直觀傳遞信息之目的。該內(nèi)容版權(quán)歸原作者所有,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如該內(nèi)容涉及任何第三方合法權(quán)利,請及時(shí)與ts@hxnews.com聯(lián)系或者請點(diǎn)擊右側(cè)投訴按鈕,我們會及時(shí)反饋并處理完畢。

最新國內(nèi)新聞 頻道推薦
進(jìn)入新聞頻道新聞推薦
【盛世蓮開】習(xí)言道|澳門是偉大祖國的
進(jìn)入圖片頻道最新圖文
進(jìn)入視頻頻道最新視頻
一周熱點(diǎn)新聞
下載海湃客戶端
關(guān)注海峽網(wǎng)微信
?

職業(yè)道德監(jiān)督、違法和不良信息舉報(bào)電話:0591-87095414 舉報(bào)郵箱:service@hxnews.com

本站游戲頻道作品版權(quán)歸作者所有,如果侵犯了您的版權(quán),請聯(lián)系我們,本站將在3個工作日內(nèi)刪除。

溫馨提示:抵制不良游戲,拒絕盜版游戲,注意自我保護(hù),謹(jǐn)防受騙上當(dāng),適度游戲益腦,沉迷游戲傷身,合理安排時(shí)間,享受健康生活。

CopyRight ?2016 海峽網(wǎng)(福建日報(bào)主管主辦) 版權(quán)所有 閩ICP備15008128號-2 閩互聯(lián)網(wǎng)新聞信息服務(wù)備案編號:20070802號

福建日報(bào)報(bào)業(yè)集團(tuán)擁有海峽都市報(bào)(海峽網(wǎng))采編人員所創(chuàng)作作品之版權(quán),未經(jīng)報(bào)業(yè)集團(tuán)書面授權(quán),不得轉(zhuǎn)載、摘編或以其他方式使用和傳播。

版權(quán)說明| 海峽網(wǎng)全媒體廣告價(jià)| 聯(lián)系我們| 法律顧問| 舉報(bào)投訴| 海峽網(wǎng)跟帖評論自律管理承諾書

友情鏈接:新聞頻道?| 福建頻道?| 新聞聚合