作者:余建斌 来源:人民日报 发布时间:2015/8/10 11:14:53
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巨型射电望远镜“FAST”:聆听宇宙的“大耳朵”

图为500米口径球面射电望远镜建成后的效果图。中国电子科技集团供图

无论是“巨眼”还是“大耳朵”,都不足以形容从空中俯瞰后又下到谷底所带来的震撼。

8月初,贵州黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼洼地,依托喀斯特地区“天坑”而建的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜成功拼装出首个反射单元。未来数月内,4450个反射单元将拼出30个足球场大的接收面积,以捕捉远在百亿光年外的射电信号。

科学家诗意地形容,半个多世纪以来,人类接收到的宇宙讯号的力量还不足以翻起一页纸,遥远的信号像雷声中的蝉鸣,没有超级灵敏的耳朵就分辨不出来。

现在,这个英文简称为“FAST”的巨型射电望远镜,既是一只超级巨耳,同时也像一把更密的筛网,捞出宇宙中更多的“漂流瓶”。

与美国阿雷西博300米望远镜相比,我国FAST的综合性能提高约10倍

作为我国大科学工程,利用贵州喀斯特地区洼坑作为台址的这个500米口径球面射电望远镜,是目前世界上正在建造的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,开创了建造巨型射电望远镜的新模式,被认为将在未来20至30年内保持世界一流地位。

全新的设计思路,得天独厚的台址,在突破了天文望远镜百米工程的极限后,FAST将凭借它的巨大身段,侧耳倾听来自遥远星河的天籁。

简单说来,射电天文望远镜,跟收卫星信号的天线锅其实是一回事。通过“锅”的反射聚焦,把几平方米到几千平方米的信号聚拢到一点上。射电天文学家就像是装备最高级的无线电爱好者,他们聆听的信号不是人造的,而是“天生”的。为了接收更微弱的宇宙信号,只有把天线锅造得更大。

但建造更大的望远镜非常困难。射电望远镜要求毫米级的精度,在平地上建百米以上的射电望远镜,巨大的自重就会造成形变,一阵风也会让它变形。因此有天文学家提出了思路:在喀斯特地形中常见的“天坑”里造。FAST的建设,代表着中国天文学家这个美好设想和愿景正在成为现实。

FAST之前,世界上最大的射电望远镜,一个是德国100米直径的“埃菲尔斯伯格”,一个是美国300米直径的“阿雷西博”。中国电子科技集团公司研究员级高级工程师王枫认为,FAST建成以后,与号称“地面最大的机器”的德国100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。

未来,在探测宇宙中的遥远信号和物质方面,FAST将是对脉冲星、类星体等各种暗弱辐射源进行精密观测的利器,有助于解答宇宙初始混沌、暗物质分布与大尺度结构,以及星系演化等领域的谜团。同时,在深空探测、脉冲星自主导航、高分辨率微波巡视和太空天气预报等方面,也将发挥重要效用。

除了单向接收宇宙信号之外,FAST也可以看成是一根巨大的地球天线,提供星际间的深空通讯能力。如果有人类航天器飞到远至太阳系外缘行星,仍然能够通过FAST和地球联系上。

把覆盖30个足球场大的信号,聚集在一颗小药丸大小的空间里,或能听到远在百亿光年外的射电信号

从第一块开始,这种边长11米的4450块三角形反射面面板,最终将拼出FAST的天线锅,反射面总面积达到25万平方米,真的像一口超级大锅架在巨大的喀斯特“天坑”里。

面板单元技术总师、中国电科研究员级高级工程师郑元鹏介绍说,反射面面板和馈源舱是决定FAST探测威力和探测精度的核心要素。反射面面板沿着一张巨大的钢索网,从“大锅”底部开始一圈一圈织完这张巨网。最后将安装接收宇宙信号的馈源舱,像神舟飞船大小的馈源舱悬空吊在天线锅中心的正上方,由锅外6个支撑塔通过钢索共同拽住。

FAST的设计目标,是要把覆盖30个足球场大的信号,聚集在一颗小药丸大小的空间里,否则就难以监听到宇宙中微弱的射电信号,这个“小药丸”就是馈源,放在馈源舱内——类似一个收集卫星信号的喇叭式装置,称得上是世界最精贵的接收器。

口径突破百米已是射电望远镜的极限,建造如此巨大的射电望远镜国际上没有先例,而500米口径的结构要实现毫米级精度,也前所未有。中国电科负责设计和研制FAST的反射面单元及馈源舱,中国电科总经理樊友山认为,具有中国独立自主知识产权的500米超大口径创造了世界射电望远镜第一大单口径之最,其设计综合体现了我国的高技术创新能力,能让中国射电天文领跑世界,但同时也面临巨大挑战,很多技术要靠自己钻研和解决。

“这口500米口径的‘大锅’,是一口名副其实的‘变形金锅’,要实现功能要求,难度非常大,这是中国工程设计史上的一次‘练兵’。”郑元鹏说,FAST的天线锅呈现标准的球形,在工作时它靠变形来转换天线方向。

实际上,FAST最大的特点就是钢索网结构可以随着天体的移动自动变化,带动钢索网上活动的4450个反射面板产生变化,足以观测到任意方向的天体。馈源舱也随钢索网一同运动,采集反馈信息。

就像水手扯动缆绳控制风帆的朝向一样,FAST是通过拉扯钢索网来使天线锅变形,这就要靠与钢索网相连的2000多个小电机来控制完成。整个变形过程,由激光定位系统校准。悬空的馈源舱重达30吨,被6条400多米的钢索吊起,移动范围可达200米。钢索网、馈源舱接收器,每一部分的位移都要控制在毫米级,FAST才能正常工作。

安装完毕后,FAST的灵敏度分别是目前世界上几个最大的射电望远镜——美国的特大天线阵、阿雷西博和印度巨型米波射电望远镜的5.4倍、2.3倍和1.5倍。这意味着,远在百亿光年外的射电信号,FAST也有可能听到。

“大科学工程就是通过这些苛刻条件的提出与实现,推动着国内高新技术产业的技术升级。”樊友山说。

FAST有望年底迎来第一缕宇宙讯号,其使命也包括高效率地开展对地外生命的探索

FAST和LAMOST,是中国天文望远镜领域领航的两驾马车。后者又称郭守敬望远镜,是我国目前最大的光学望远镜,也是世界上目前光谱获取率最高的望远镜,目的是探测研究银河系的大尺度结构等科学目标,建成后已正式巡天3年,目前已拿到了世界上最大的光谱群。

为了探测遥远、神秘的“天外之谜”,人类目前已经建造出许多光学或射电类型的天文望远镜。像LAMOST是架在山顶,而像哈勃、开普勒望远镜等,则是遨游太空,都是为了能够清晰捕捉到来自宇宙深处的讯息。

中科院南京天文光学技术研究所副所长宫雪非全程参与了LAMOST的建造,同时他也曾前往南极内陆架设天文望远镜。宫雪非说,去南极的最重要原因就是那边的天文观测条件好,大气宁静度高,“星星不眨眼”,空气寒冷而干燥,对光学红外及射电望远镜来说格外有利,因此我国天文学家自2007年开始已连续多年出征南极内陆的昆仑站,在那里建成了我国最为偏远的自动天文观测站。美国哈勃望远镜和最近火热的开普勒望远镜,都属于太空望远镜。太空环境最无可比拟的优势就是完全脱离大气层,不受大气影响,望远镜可以毫无障碍地接收宇宙的光线和信号。但太空望远镜也存在着造价高的问题,一般来说,同样能力的望远镜,太空版的造价是地面版的10倍。同时也不可能做得太大,显然人类目前还没有能力把FAST这样的望远镜送上太空。

“两暗一黑三起源。”这是科学专业人士圈里的俗话,用来形容天文望远镜的科学使命。宫雪非说,两暗是指暗物质和暗能量,一黑是黑洞,三起源则是天体、宇宙和生命的起源。像开普勒望远镜就是专门用来探测系外行星,寻找外星生命、外星文明的踪迹。开普勒望远镜被送入太空后,大大推进了对系外行星的发现程度,迄今已发现了几千颗行星“候选者”。FAST的使命之一,也包括高效率地开展对地外生命的探索,寻找“外星人”存在的线索。

按计划,FAST的全部安装及测试工作将于2016年9月前完成。如果一切顺利,在今年年底先行安装完毕后,FAST将迎来第一缕宇宙讯号。(原标题:“大耳朵”听宇宙(关注))

 

 
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2015/8/10 20:57:57 crossludo
一类循环图在射影平面上的嵌入
http://www.applmath.com.cn/CN/abstract/abstract13961.shtml
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