“中國(guó)天眼”借鑒拋物面天線原理 從地球聆聽(tīng)來(lái)自宇宙的信號(hào)

來(lái)源:人民日?qǐng)?bào)

2021年3月31日,“中國(guó)天眼”(FAST)正式向全球天文學(xué)家開(kāi)放。“中國(guó)天眼”是什么?它是我國(guó)具有自主知識(shí)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(dòng)對(duì)宇宙深空的了解與探測(cè),為天文學(xué)的發(fā)展提供新的可能。

“中國(guó)天眼”有多大?它口徑500米,發(fā)射面積相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。如果在里面倒?jié)M礦泉水,全世界70億人均每人可分4瓶。它能看多遠(yuǎn)?能看穿130多億光年的區(qū)域,接宇宙邊緣。目前,“中國(guó)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(tīng)來(lái)自宇宙的信號(hào)

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

“中國(guó)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,行電磁波遇到拋物面反射后會(huì)匯聚到焦點(diǎn)的位置。對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō),把反射面做成拋物面的形狀,然后在焦點(diǎn)位置放置一臺(tái)接收機(jī),就可以匯集天體發(fā)出的電磁波信號(hào),從而進(jìn)行天文觀測(cè)。拋物面的面積越大,匯集的信號(hào)就越多,也就越能探測(cè)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(cè)窗口之后,各國(guó)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(duì)無(wú)線電的大規(guī)模使用,產(chǎn)生了越來(lái)越多的無(wú)線電波,干擾了人類對(duì)太空信號(hào)的接收。在1993年國(guó)際無(wú)線電大會(huì)上,包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)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(guó)科學(xué)家開(kāi)始“中國(guó)天眼”的探索,開(kāi)啟了“把不可能變成可能”的征途。

難度大、突破多,“中國(guó)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(kāi)挖和支護(hù)成本就會(huì)讓這個(gè)項(xiàng)目無(wú)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(wú)法建成大型、高精度的天文觀測(cè)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(gè)洼坑,再進(jìn)一步將范圍縮小至幾十個(gè)。團(tuán)隊(duì)幾乎走遍這些洼地,現(xiàn)場(chǎng)踏勘,風(fēng)餐露宿。最終,將臺(tái)址定在貴州塘縣克度鎮(zhèn)的大窩凼洼地。

臺(tái)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(méi)有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)可以借鑒:關(guān)鍵技術(shù)無(wú)先例可循、關(guān)鍵材料需從頭研制。

“中國(guó)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(hào)裝置系統(tǒng)的艙體。

作為世界首創(chuàng),“中國(guó)天眼”的“視網(wǎng)膜”是主動(dòng)反射面,可以改變形狀,一會(huì)兒是球面,一會(huì)兒是拋物面。具體來(lái)說(shuō),這張龐大的可動(dòng)的“視網(wǎng)膜”是一張由6670根鋼索編制的索網(wǎng),掛在一個(gè)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(dòng)器上,通過(guò)操縱作動(dòng)器,拉動(dòng)下拉索來(lái)改變索網(wǎng)形狀,從而對(duì)天文信號(hào)進(jìn)行收集和觀測(cè)。

“中國(guó)天眼”的“瞳孔”即饋源艙,也是一個(gè)大膽的突破設(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(guó)天眼”則完全不同,采用的是全新的輕型索驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),這讓“中國(guó)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(cè)更豐富的宇宙電磁波。

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

“中國(guó)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(lái)巨大挑戰(zhàn)。而應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的過(guò)程,也正是國(guó)產(chǎn)精準(zhǔn)制造不斷創(chuàng)造奇跡的過(guò)程。比如,要實(shí)現(xiàn)反射面(即索網(wǎng))可改變形狀這個(gè)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,疲勞強(qiáng)度是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的兩倍多,國(guó)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(gè)數(shù)量級(jí)。

兩年來(lái),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(wàn)次疲勞實(shí)驗(yàn)。經(jīng)歷了百次的失敗后,最終成功解決了這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了3項(xiàng)世界創(chuàng)舉:超大跨度、超高精度、主動(dòng)變位式的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

建設(shè)完成之后,“中國(guó)天眼”進(jìn)入調(diào)試階段。巨型望遠(yuǎn)鏡調(diào)試涉及天文、測(cè)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)用研究,國(guó)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(guó)天眼”開(kāi)創(chuàng)了新模式,其調(diào)試工作也更具挑戰(zhàn)

截至目前,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)跟蹤、漂移、運(yùn)動(dòng)掃描、編織掃描等,提前完成功能調(diào)試。在能調(diào)試方面,“中國(guó)天眼”直徑500米,卻要實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的精度,難度相當(dāng)大。當(dāng)前,望遠(yuǎn)鏡測(cè)量基準(zhǔn)網(wǎng)的精度已提升至1毫米以內(nèi),其中,靈敏度水是世界第二大望遠(yuǎn)鏡的2.5倍,這是中國(guó)建造的望遠(yuǎn)鏡第一次在靈敏度這個(gè)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(chǎng)擴(kuò)大至原來(lái)的19倍,大幅提升望遠(yuǎn)鏡的巡天效率。

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

“中國(guó)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(guò)程既是攻堅(jiān)克難的過(guò)程,也是創(chuàng)新成果相繼產(chǎn)生的過(guò)程。許多具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)相繼誕生并得到應(yīng)用。比如,超高疲勞能鋼索結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于大型體育場(chǎng)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(gè)制造、安裝過(guò)程中還產(chǎn)生了許多國(guó)家級(jí)、省級(jí)工法。比如,在為“中國(guó)天眼”鋪設(shè)“視網(wǎng)膜”過(guò)程中,4450塊反射單元、6670根鋼索、上萬(wàn)個(gè)關(guān)節(jié)軸承,都是工人們?cè)趲资赘呖找粔K塊、一根根、一個(gè)個(gè)拼裝完成的,容錯(cuò)率為零。這些復(fù)雜工法將有助于未來(lái)大型復(fù)雜項(xiàng)目的精準(zhǔn)建造。

可以說(shuō),“中國(guó)天眼”是一個(gè)現(xiàn)代工程奇跡,它凝結(jié)了20多個(gè)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(chǎng)工作幾天,身上就會(huì)起滿紅疙瘩。潮濕、陰冷的工棚沒(méi)有空調(diào)或暖氣,每個(gè)人的被子潮濕得快要擠出水來(lái)。常有人說(shuō),只有中國(guó)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(guó)天眼”首批科學(xué)成果公諸于世。如今,基于“中國(guó)天眼”數(shù)據(jù)發(fā)表的高水論文已有70余篇;所發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量已超過(guò)300顆,是同一時(shí)期國(guó)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(lái)實(shí)現(xiàn)星際旅行的夢(mèng)想。

接下來(lái),“中國(guó)天眼”將進(jìn)一步在低頻引力波探測(cè)、快速射電暴起源、星際分子等前沿方向加大探索,加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外開(kāi)放共享,推動(dòng)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(guó)4代科學(xué)家心血的“天眼”,產(chǎn)生更多科研成果,推動(dòng)人類對(duì)宇宙的探索和認(rèn)知。

標(biāo)簽: 中國(guó)天眼 拋物面天線 宇宙

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