要做“大哥”的中国天眼 你了解多少?

导语:2020 年 12 月 1 日,受多年老化及维护不利影响,位于波多黎各的美国“天眼“——阿雷西博射电望远镜发生严重坍塌事故,并永久停止了运行。

阿雷西博射电望远镜口径达 305 米,始建于 1963 年,曾是世界上最大的射电望远镜。自中国”天眼”FAST 建成后,便一直与之并誉为“地球的双眼”。但自 2016 年起,政府中止了每年 1200 万美元的望远镜维护拨款,进而导致美国永远失去了这一顶尖的单体望远镜。

要做“大哥”的中国天眼你了解多少?

坍塌的阿雷西博射电望远镜图源:浙江日报

与之相反的是,自 2017 年投入运行以来,中国“天眼”FAST 已经在天文学科研究中发挥了世界独一无二的重要作用,并迫使欧洲在谈判中将其列入中国必须开放的科研工具。这一中国奇观的建成,背后离不开南仁东老先生 23 年间的持续贡献。

“咱们也建一个吧”

1963 年,清华大学无线电系迎来了吉林省理科状元——南仁东。随后南仁东师从王绶琯,获得中国科学院理学博士学位,并投身与天文学的研究之中。在多年的科研生涯中,南仁东四处奔波,排队数年以借用其他国家的射电望远镜已成为家常便饭,复杂繁琐的使用权申请与他国科学家的排斥,让南仁东内心感到深深的疲惫和忧虑。

1993 年,在日本国际无线电科学联盟大会上,科学家们商议在全球电波环境继续恶化之前,建造新一代射电望远镜,以接收更多来自外太空的讯息。会后,南仁东向中科院提议道:“咱们也建一个吧”,并于 1994 年 7 月提出了“500 米口径球面射电望远镜”(Five-hundred-meterAperture Spherical radio Telescope,FAST)的工程概念。

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南仁东先生在天眼项目现场图源:http://kp.cnhubei.com/kpgzz/201901/t4211358.shtml

随后 12 年间,南仁东带着 300 多张地形数据图走遍了中国的大江南北,亲自敲定了 FAST 项目的立项、选址、设计与施工。并参与了 FAST 项目中天文、力学、材料、机械、无线电等技术的研发与应用。终于,2016 年 9 月 25 日 FAST 项目竣工启用,南仁东已经在“建设世界最大的射电望远镜”这件事上耕耘了二十二年。

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FAST 示意图(图源:新华社,https://www.163.com/dy/article/G4OL07B60514R9L4.html)

未来 20 年内世界最大、最灵敏的射电天文望远镜

常见的天文望远镜按照探测目标来分类,主要包括射电望远镜(探测无线电)、光学望远镜(探测可见光)、红外线、X射线、伽玛射线望远镜等。其中射电望远镜又可分为球面射电望远镜、抛面射电望远镜、带形射电望远镜和望远镜阵(把单个射电望远镜连起来,收集单个望远镜的数据)等。其中,FAST 归类于能够自动聚焦变形的球状射电望远镜。

FAST 位于贵州省平塘县的一处喀斯特洼地中,直径 500m,占地面积约 30 个足球场大,天顶覆盖角度为 40°,工作频率为 70MHz-3GHz,是世界上仅有的规模最大,也是最灵敏的巨型射电望远镜,其已被列入中国九大科技基础设施之一。

FAST 项目由基础的喀斯特洼地、依托地表建设的索网主动反射面结构,以及悬挂在中心的馈源支撑系统组成。在喀斯特洼地的独特选址,大幅减少了望远镜项目的工程量,并增加了望远镜的直径。依托地表搭建的主动反射面结构,通过电动液压杆与地面连接,这使 FAST 能够按照接受信号的方向自由改变发射角,并在观测方向形成 300 米口径瞬时抛物面汇聚电磁波,在地面改正球差,以实现宽带和全偏振。通过钢索与六座支撑塔连接的馈源舱与其中的精调并联机器人,能够基于先进的双靶互瞄模式实现对太空信号的自动对准,并将工程测量精度提高至 4mm 级别。

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FAST 结构示意图[1]

FAST 射电望远镜在运行过程中,通过 6 座百米高的支撑塔对馈源舱的调节,以及对主反射镜的控制,来主动变形聚焦接收电磁波信号,并能够将几平方米至几千平方米的信号聚拢到一点上。

中国拥有 FAST 的全部自主知识产权。与号称地球最大的德国波恩 100 米望远镜对比,FAST 的灵敏度提高了 10 倍;与美国 Arecibo 300 米望远镜相比,其综合性能提高约 2.5 倍以上(现已垮塌)。它将对国际同类设备保持 20 年以上的领先水平。

星际旅行前置黑科技——宇宙中的 GPS

FAST 工程的核心目标,在于搜寻与发现射电脉冲星。脉冲星是一种处于快速自转状态的中子星,特征在于能够周期发射电磁脉冲信号。脉冲星的自转周期极其稳定,信号周期性的精确度远高于原子钟,因此脉冲星能够用于在宇宙航行中进行空间与时间的高精度校准。但由于脉冲星的信号暗弱,易被人造电磁干扰淹没,需要借助具有极高灵敏度的 FAST 望远镜来进行探索与观测,即科幻电影中常见的“星图定位导航”。

除观测脉冲星外,FAST 还将承担巡视宇宙中的中性氢、主导国际 VLBI 网、探测星际分子、搜寻星际通讯信号等四大科学目标,并实现空间飞行器的测控与通讯、脉冲星计时阵和自主导航、非相干散射雷达接收系统、高分辨率微波巡视等四大应用目标[2]。FAST 的运行,为未来可能的星际旅行点出了“前置黑科技”。

要做“大哥”的中国天眼你了解多少?

FAST 观测脉冲星(图源:中科院之声,https://zhuanlan.zhihu.com/p/29980759)

2021 年 5 月,国家天文台研究团队利用中国天眼 FAST 望远镜在观测中取得的重要进展,正式发布了 201 颗新发现的脉冲星。此外,FAST 观测得到的数据为 40 多篇高水平学术论文提供了支撑,其中包括发表在世界顶级刊物《自然》上对快速射电暴方面的研究成果[3]。

与此同时,FAST 将于 2021 年 4 月 1 日起面向全球开放。来自世界各地的研究机构与独立科学家可提交完善的研究计划申请,在通过由全球顶尖天文学家组成的联合评议后,共同分享超过 5000 小时的 FAST 观测时间。中国对 FAST 这一全球仅有的顶尖天文设备的无国界共享行为,再次证明了中国包容开放的大国心态,也彰显了中国与国际科学的充分合作理念,将为人类探索宇宙起源与认识宇宙未知做出了巨大的贡献。

值得一提的是,FAST 目前也以预约制的形式面向游客开放,每天限流 2000 人。据统计,2017 年 FAST 地区的旅游营收为 46 亿元,远超 FAST 本身 6.7 亿元的建设成本。

结语:

中国“天眼”FAST 的全球开放、公开评议与无国界信息共享,将使其成为中国最为重要的世界名片之一。同时,国家天文台在 FAST 单镜位的基础上,提出了中国未来射电望远镜群的项目规划,力求将中国在天文学界的领先地位保持下去。

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