中國天眼6年了!獨一無二的望遠鏡 都有哪些成就?

語言: CN / TW / HK

2016年9月25日,被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,簡稱FAST)落成啟用。

截止至今年7月,“中國天眼”已經發現了660餘顆新脈衝星。

今天,正值“中國天眼”落成六週年,讓我們跟隨FAST的總工程師姜鵬,一起了解一下FAST的建造初衷、到目前為止FAST都取得了什麼樣的科研成果,以及接下來FAST還有可能會給我們帶來什麼。

FAST都在觀測什麼?

FAST是一臺射電望遠鏡,會在射電波段觀測太空。

射電波段的發現源於一次非常偶然的事件,對於射電天文學的研究,讓我們有四個非常重要的新發現,即脈衝星、星際分子、微波背景輻射、類星體。

其中,對於脈衝星的觀測就獲得了包括中子星的發現和引力波兩項諾貝爾獎。

FAST誕生的“原動力”是什麼?

想要獲得更多、更詳盡的天文學資料,就需要有更大接受面積的望遠鏡,對於光學望遠鏡如此,對於射電望遠鏡亦是如此。

更大的接收面積,意味著會有更強的暗、弱訊號探測能力,可以擴大觀測樣本數量,可以提高發現奇特天文學現象的機率,同時還能看到更遠的天文學現象。

一般來講越遙遠的天文學現象代表的是更早期的天文學現象,比如我們看到太陽是8分鐘之前的,我們看到銀河系邊緣可能是十幾萬、二十萬年前的,看到臨近星系M31那是幾萬年前的,那麼看到的類星體可能是一百多億年前的。

所以如果我們想看到更早期的宇宙現象怎麼辦?那隻能朝更遠的方向去看。

所以更大的望遠鏡對於我們回溯宇宙歷史有非常大的幫助,而建設更大口徑的望遠鏡,是科學家們永無止境的追求,過去如此,現在如此,未來也將會如此。

建造FAST的原動力,就是為了能夠看得更遠,為了能夠回溯宇宙更遙遠的歷史。

FAST有什麼特點?

FAST作為球面望遠鏡,與傳統望遠鏡有所不同。

傳統望遠鏡都是採用拋物面,將接收機放在拋物面的焦點上,就可以進行訊號收集。

那麼球面和拋物面有什麼區別呢?它們會有多大的偏離距離呢?這是很多人不曾設想的問題。

上世紀90年代,中國天文學家南仁東和他的同事通過計算,只要選擇合適的交比,一個300米的拋物面,跟球面偏離只有0.47米,大概是1.5‰左右,這很多人出乎意料。

也就是這0.47米的偏離,成為了FAST建立的基石。

有了這個概念之後,就可以 先建一個基準球面,稍微改變一下反射面形狀(0.47米),就可以在這個球面上形成一個300米的拋物面。

當我們在觀測不同的天區的時候,只需要在不同的位置形成拋物面就可以,餘下的問題就怎麼把接收機以正確的姿態放在交點位置上就可以。

概念雖然簡單,但是完善卻花了大概十幾年的時間,這個拋物面到底怎麼變形?用什麼載體變形?接收機用什麼方式控制到交點上?這都是一直在探索的。

最後FAST的系統是這樣的:

將近萬根鋼索形成的索網,掛在一個500米口徑的環樑上,這個索網有兩千多個主索位點,每個主索節點設定一根控制索,固定在地面的作動器上。

科學家通過作動器控制就可以改變這個反射面形狀,在它區域性區域形成300米的拋物面,上面有6套索驅動,控制一個30噸的饋源艙,並在艙裡面裝上接收機,把它控制到交點位置上。

同時設立了20臺全站儀,用來測量反射面形狀和接收機的位置姿態,保證了接收機姿態的控制。

最後形成了FAST這架極其複雜的望遠鏡系統。

FAST有多大?

我們都知道FAST的口徑是500米,那麼它具體是多大呢?我們如何給沒有親眼見過FAST的人量化“500米口徑”這個概念呢?

有一位同事提出了這樣一個說法: 我們把FAST想象成一口鍋,在這口鍋裡裝滿水,全球70億人,每個人都可以從這口鍋裡分得4瓶礦泉水。

FAST的建造有哪些難點?

量變積累到一定程度就會產生質變,帶來的工程難度也是極大的,FAST的索網建造就是一個難點。

用來支撐球面的索網是一個變形的載體,就像氣球一樣,需要把“索”當成橡皮筋或者是彈簧來用。

對於橡皮筋來說,可以拉長一倍甚至兩倍,但是鋼索的極限變形只有3‰-4‰,這個量是非常小的。

FAST的拋物面有一部分是在球面下面,有一部分是在球面上面,也就是說連線拋物面的索網要向下拽拽得下來,向上松要松得上去。

但是鋼索彈性變形只有3‰-4‰,向下拽的時候不能拽斷了,向上松的時候不能虛牽了,我們需要在4‰的變形範圍內,把“向下拽”和“向上松”這兩個功能全部實現,並且還要剛剛好,兩邊留的餘地都非常小。

不僅如此,鋼索的加工精度也很重要,假設每根索引都長一毫米,最後索再松就松不上去了。

此外,溫度的變化也要吃掉一部分彈性變形,所以整個索結構加工的精度是極高的,而且留的餘地是非常小,整個設計就像在一個獨木橋上在行走,你稍微偏一點這個專案就失敗了。

除此之外,為了保證沒有其他無線電訊號的干擾,FAST選址在了貴州偏遠山區,很多大型裝置無法進場,所以大量的施工作業都是人手工完成的,還有包括170多米高的塔、38米深的人工挖孔樁、近萬根鋼索都是在空中散拼的。

這是凝結了我們勞動人民的智慧和巧妙的施工方式才能完成的大型專案。

FAST的除錯有哪些難點?

FAST這套系統跟傳統望遠鏡是不一樣的,傳統望遠鏡的拋物面跟交點上的接收機是天然匹配的,不管指向任何一個方向它都是天然匹配的。

但對於FAST來說,它的反射面是500米跨度的索網、是近萬根鋼索編織成的複雜索網體系,上面是600米跨度的索驅動結構,外面是30多噸的饋源艙。

這兩套系統是完全獨立的,而且兩套系統都是柔性的控制系統,要在公里級的尺度上實現毫米級的定位精度。

這是我們傳統工業體育場不曾遇到的,對於傳統的工程精度,500米差1米,視覺上不會有任何影響,安全上也不會有任何影響。但是對於FAST來講,幾毫米的誤差都會讓天線效率下降。

此外,FAST是在貴州野外多雨多霧的環境下工作,所有的測量控制都要有全天候實現的能力,這意味著大量的光學測量實驗沒法全天候使用,所有東西都要重新考慮。

為了保證FAST的全天候執行能力,我們最後是採用的是衛星定位測量系統、慣導和鐳射全站儀的融合測量技術。

儘管鐳射全站儀在雨天霧天基本沒法工作,但是衛星導航和慣導依然可以保證FAST全天候的執行能力。

這套系統一方面將不同的測量手段結合,實現了優勢互補;另一方面在精度上也有提升,並且更重要的是提高了FAST的耐氣候能力。

後續我們還用微波測距儀代替了鐳射全站儀。此外,我們還經常把GPS“倒過來”用,把基準站作為天上的衛星,反過來照饋源艙,這樣達到了全天候高精度的目的。

FAST有哪些成就?

從1937年到現在,射電望遠鏡已經發展了近90年的時間,我們的“中國天眼”在宇宙望遠鏡發展歷史上劃下了濃重的一筆,我們第一次站到了制高點,而且領先的不是一點點,在精度上領先了至少2.5到3倍的水平。

FAST的靈敏度、全天候執行能力,以及每年6000多個小時的觀測時長,都是我們一開始沒有想象到的。

FAST不光是一個性能卓越的射電望遠鏡,還是一臺非常好用的射電望遠鏡。

截至今日,科學家通過FAST發現的脈衝星數量已經超過660顆,這個數量是同一時期、國際上所有射電望遠鏡發現脈衝星總數的 5倍以上。

同時,FAST執行兩年期間還幫助科學家們取得了一些重要的科學成果,這些科學成果包括5篇發表在《自然》上的論文、1篇發表在《科學》上的論文,其中一些科學成果還在2021年被《自然》評選為十大突破和發現。

此外,2021年中國兩院院士評選的十大科學進展中也包含了FAST的成果。

在這些科學成果中,比較有意思是快速射電暴,這是2007年才發現的新天文現象。

快速射電暴是在千分之幾秒的時間內,發出太陽數天、甚至一整年的能量的一種現象。

科學家很好奇快速射電暴的來源是什麼,但是一直沒有清晰的探測到,直到具有超高靈敏度的FAST清晰地測到了電磁波偏轉角的變化——這意味著磁層結構在這類天體中扮演著非常重要的角色,基本預測了它是來自遙遠的磁星。

FAST不僅可以用在科學研究,還可以用於實際應用。

比如將FAST跟主動雷達配合的話,將有可能在一千公里級軌道上看到毫米級水平,即觀測到地球同步軌道上50毫米範圍內的物體。

要知道現在航天發射任務都依賴於碎片的通量模型,需要躲開碎片,找到合理的發射視窗。

但是此前通量模型都是用國外的模型,但是有了FAST,我們完全可以建立自主可控的通量模型。

此外,FAST還可以幫助我們進行近地天體預警。

比如2019年,有一個小行星在地月六分之一距離與我們擦肩而過,人類之所以沒有測到,是因為它來自太陽的方向,強烈的太陽光讓我們無法清晰地用光學望遠鏡觀測到小行星。

但是如果用射電波段去觀測的話,就有可能更早的把它探測到,所以它將來將會是一個近地天體防禦的重要的戰略支撐。

未來,FAST還會帶給我們無數的想象,比如在FAST上加個發射裝置,又能做更多好玩的事情,讓我們一起期待“中國天眼”給我們帶來更多新奇的東西。

最後,讓我們向“中國天眼”的建造者們致敬!

責任編輯:上方文Q

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