难度大、冲破多……中国天眼从地球凝听来自宇宙信号

发布日期:2021-05-15 21:15   来源:未知   阅读:

世界最大最灵敏单口径射电望远镜——

  “中国天眼”,凝听宇宙的声音(开卷知新)

姜 鹏

《人民日报》(2021年04月29日第20版)

2021年3月31日,“中国天眼”(FAST)正式向寰球天文学家开放。“中国天眼”是什么?它是我国具备自主知识产权、用于探索宇宙的单口径球面射电望远镜。有了它,可以推动对宇宙深空的懂得与探测,为天文学的发展供给新的可能。

“中国天眼”有多大?它口径500米,发射面积相称于30个标准足球场那么大。假如在里面倒满矿泉水,全世界70亿人均匀每人可分4瓶。它能看多远?能看穿130多亿光年的区域,濒临宇宙边沿。目前,“中国天眼”是世界上最大的也是最灵敏的单口径射电望远镜。

  借鉴抛物面天线原理,从地球聆听来自宇宙的信号

“中国天眼”的大名是500米口径射电望远镜。不同于常见的通过可见光进行观测的光学望远镜,射电望远镜通过接收宇宙中不可见的无线电波来“观测”宇宙。我们上方厚厚的大气层有两个“窗口”: 一个是可见光窗口,千百年来人类都是通过这个窗口观测宇宙的;一个是无线电窗口,上世纪30年代,无线电天文学前驱卡尔·央斯基偶尔发现了来自河汉系核心的信号,射电天文学的大幕由此拉开,推动人类意识宇宙起源、性命起源。

“中国天眼”是当今射电天文学的“重器”。其基础原理是什么呢?咱们都晓得,平行电磁波碰到抛物面反射后会汇聚到焦点的位置。对射电望远镜来说,把反射面做成抛物面的形状,而后在焦点地位放置一台接受机,就能够聚集天体发出的电磁波信号,从而进行地理观测。抛物面的面积越大,会集的信号就越多,也就越能探测到更暗弱、更遥远的天体。所以,自卡尔·央斯基意外发明射电天文观测窗口之后,各国天文学家就始终致力于建造反射面尽可能大的巨型射电千里镜。

与此同时,随同人类对无线电的大范围应用,产生了越来越多的无线电波,烦扰了人类对太空信号的吸收。在1993年国际无线电大会上,包含中国在内的多个国家提出倡导,盼望在地球电磁波环境被损坏之前,建造出超大口径的射电望远镜。次年,以南仁东先生为代表的中国科学家开端“中国天眼”的探索,开启了“把不可能变成可能”的征途。

  难度大、打破多,“中国天眼”在灵敏度上占领制高点

到底能建口径多大的望远镜,取决于最终找到多大的凹地。合适的高地异常难找,由于它要同时合乎四大条件。首先要足够大、足够圆,否则只是开挖和支护本钱就会让这个名目无法实现;其次,要阔别人口密集区域,这样能力保证精良的电波环境;再次,不能积水,不然设备寿命难以保障;最后,还要有优秀的地质条件,否则无奈建成大型、高精度的天文观测装备。

从1994年到2006年,南仁东率领团队,从8000多幅舆图当选出300多个洼坑,再进一步将范畴缩小至几十个。团队简直走遍这些洼地,现场踏勘,风餐露宿。最终,将台址定在贵州平塘县克度镇的大窝凼洼地。

台址断定后,如何设计、如何实现、建成之后如何调试和使用,都不现成教训可以鉴戒:关键技术无先例可循、症结资料需从头研制。

“中国天眼”设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜,这首先体当初“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”指反射面;“瞳孔”指馈源舱,即放置接收宇宙外信号安装系统的舱体。

作为世界首创,“中国天眼”的“视网膜”是主动反射面,可以改变形状,一会儿是球面,一会儿是抛物面。详细来说,这张宏大的可动的“视网膜”是一张由6670根钢索编制的索网,挂在一个由50根伟大钢柱支持的直径500米的圈梁上;索网上铺有4450块、380多种反射面单元;索网下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面上的作动器上,通过把持作动器,拉动下拉索来改变索网形状,从而对天文信号进行收集和观测。

“中国天眼”的“瞳孔”即馈源舱,也是一个勇敢的突破性设计。大多数传统射电望远镜的“瞳孔”位置是固定的,或仅可以微调。“中国天眼”则完整不同,采取的是全新的轻型索驱动把持系统,这让“中国天眼”的“瞳孔”可以自若改变角度和位置,更有效地收集、跟踪、监测更丰盛的宇宙电磁波。

从体量来说,原世界第一大射电望远镜的馈源舱重1000多吨,“中国天眼”馈源舱重仅约30吨。体积小带来多方面的上风,比如可有效减少光路遮挡、减少干扰信号,从而让波束无比清洁,更有利于天文观测。

“中国天眼”在设计上的冲破立异,为“从图纸到事实”的制造带来宏大挑战。而应答挑战的过程,也恰是国产精准制造一直发明奇观的过程。比如,要实现反射面(即索网)可转变外形这个世界开创设计,要求形成索网的钢索像弹簧一样有必定伸缩性,疲劳强度是现有标准的两倍多,国际上未有先例;还请求每根钢索的加工精度要到达1毫米,把传统尺度晋升了一个数目级。

两年来,迷信家们连续全方位地改良索体工艺,一根钢索要进行200万次疲劳试验。阅历了近百次的失败后,终极胜利解决了这个要害问题,实现了3项世界创举:超大跨度、超高精度、自动变位式的索网结构。

建设完成之后,“中国天眼”进入调试阶段。巨型望远镜调试波及天文、测量、节制、电子学、机械、结构等众多学科,是强穿插学科的应用性研讨,国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。“中国天眼”首创了新模式,其调试工作也更具挑战性。

截至目前,已经实现跟踪、漂移、活动扫描、编织扫描等,提前完成功效性调试。在性能调试方面,“中国天眼”直径500米,却要实现毫米级的精度,难度相称大。当前,望远镜丈量基准网的精度已提升至1毫米以内,其中,灵敏度程度是世界第二大望远镜的2.5倍,这是中国建造的望远镜第一次在敏锐度这个参数上盘踞制高点。另外,19波束已经完成安装,其意思也十分重大:可将望远镜视场扩展至本来的19倍,大幅提升望远镜的巡天效力。

  “中国天眼”专利技术被应用于多个范畴,持续孵化科学新成果

“中国天眼”团队敢想敢做,难度大、挑衅大,其设计、建造的过程既是攻坚克难的过程,也是翻新性结果相继发生的进程。很多存在我国自主常识产权的专利技巧接踵出生并得到运用。比方,超高疲劳机能钢索构造被利用于大型运动场馆,高精度索结构出产系统被应用于港珠澳大桥等建设。

在全部制作、装置过程中还产生了许多国度级、省级工法。好比,在为“中国天眼”铺设“视网膜”过程中,4450块反射单元、6670根钢索、上万个关节轴承,都是工人们在多少十米高空一块块、一根根、一个个拼装实现的,容错率为零。这些庞杂工法将有助于将来大型复杂项目标精准建造。

可以说,“中国天眼”是一个古代工程奇迹,它凝聚了20多个科研机构、上百名科研职员的心血,汇聚了几千名一线工人的汗水。建造前提艰难,良多人在现场工作几天,身上就会起满红疙瘩。湿润、阴冷的工棚没有空调或暖气,每个人的被子潮湿得快要挤出水来。常有人说,只有中国才干做成“天眼”,我想,做成“天眼”所依附的,就是这种永不言弃、孤掌难鸣的精力。

2017年10月,“中国天眼”首批科学成果公诸于世。现在,基于“中国天眼”数据发表的高水平论文已有70余篇;所发现的脉冲星数量已超过300颗,是统一时代国际上所有其它望远镜发现数量总和的3倍。为什么发现脉冲星至关主要?脉冲星是正在快捷旋转的中子星,密度极高,每破方厘米重达上亿吨。它本身如灯塔个别散射光辉,时时刻刻地扫描着宇宙;它自转速度很快、自转周期精确,堪称宇宙中最准确的时钟。因而,掌握脉冲星,有利于树立“宇宙导航体系”,有助于人类在未来实现星际旅行的幻想。

接下来,“中国天眼”将进一步在低频引力波探测、疾速射电暴来源、星际分子等前沿方向加大探索,增强海内外开放共享,推进重大成果产出,勇攀世界科技顶峰。我们青年一代科学家也将尽力“用”好凝固了中国4代科学家血汗的“天眼”,产生更多科研成果,推动听类对宇宙的摸索跟认知。

(作者为FAST总工程师)

起源:国民日报