贵州:开建世界最大射电望远镜 相当于25个足球场

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贵州:开建世界最大射电望远镜 相当于25个足球场

位于贵州省黔南州平塘县的500米口径球面射电望远镜FAST是世界上最大的射电望远镜,这是摄影记者站在约120米高度拍摄的工程实景。

贵州:开建世界最大射电望远镜 相当于25个足球场

一位施工人员正沿着施工平台钢梁小心爬行。

贵州:开建世界最大射电望远镜 相当于25个足球场

当地生态环境良好,科研人员在路上拾到一只雏鸟。

口径达500米的FAST可以观测到来自宇宙边缘的微弱电磁波,它将在未来20年-30年保持世界一流设备的地位。

窥视宇宙的超级大“锅”

这是全世界有史以来最大的一口锅。重达数万吨,锅口面积大约相当于25个标准足球场的总和;假如用它满满煮上一锅饭,足够全世界70多亿人聚在一起吃上3天。

这口锅坐落在中国贵州,仍处在建造阶段。

当然,这口被全世界科学家称为FAST的“锅”并非为煮饭建造,它是一台巨大的射电望远镜。对于多数普通人来说,这是一个陌生的名词,但在天文学界,它已存在并且被高度依赖超过80年。超级大锅FAST,则正是迄今为止人类建造的最大一部射电望远镜。

按照搜索、观测的电磁波波长分类,天文望远镜大致可分为三大类:X射线天文望远镜——用于观察宇宙X射线,比如著名的“昌德拉”太空望远镜;可见光天文望远镜——以可见光为工具观察宇宙,最有名莫过于伟大的“哈勃”,以及“哈勃”的继任者、未来几年将升空的“韦伯”太空望远镜;射电望远镜——通过捕捉和分析太空中的无线电波来观察太空,例如美国“阿雷西博”射电望远镜。

从广义上看,曾经在2013年拍摄到婴儿时期宇宙照片、并发现暗能量的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)也属于射电望远镜。在此之前,20世纪60年代,天文学家借助于射电望远镜做出了四项重要发现:脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子。

上天无路,入地有门

从观测效果考虑,为了避免大气层的干扰,天文望远镜最好的“居住地”莫过于太空。但与另外两类望远镜相比,射电望远镜在同样面积上收集到的电磁波能量更弱(有人计算过,80年来全世界所有射电望远镜收集到的能量还不够翻动一页书),因此,它需要更大的面积来收集来自太空的信息。正因如此,当“哈勃”与“昌德拉”相继奔赴太空之时,射电望远镜却只能在地面上望尘兴叹——现在的技术还不足以把口径达到数十米乃至上百米的大型望远镜搬到天上去。

幸好,与另外两种望远镜相比,射电望远镜观测的是波长较大的电磁波,受大气层的干扰相对较小。在地面上,科学家需要做的就是尽可能收集更大数量的电波,以提高射电望远镜的灵敏度;而达到这一目的的唯一途径,就是增大望远镜的工作面积。

在FAST之前,最大的射电望远镜是前文提到的“阿雷西博”,口径达350米,但“阿雷西博”是固定望远镜,不能调整望远镜方向以对准某一既定目标,因此只能扫描天空中的一个带状区域,而且由于地球转动,它不能连续观察同一目标。在“阿雷西博”之外,因自身重力及风力引起望远镜形变的限制,传统全可调望远镜的最大口径只能达到100米。

二十年磨一剑

1995年,北京天文台和国内20余所大学和研究所联合成立了大型射电望远镜中国推进委员会,提出利用贵州喀斯特地形,建造500米口径球面射电望远镜FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)的概念,台址确定在贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的“大窝凼”洼地。FAST工程的预研究历时13年,直到2007年7月10日才正式立项。2011年3月25日,FAST工程正式开工建设,预计2016年9月建成。

2014年7月17日上午11时, FAST建造工程安装了第一根主索,反射面索网安装工程正式实施——这是安装整个望远镜镜面框架的第一步。由于镜面太大(面积达30个标准足球场的总和),必须有一个承载整个镜面的基架,它由具有超高抗疲劳性能、钢筋结构的索网组成——单是作为基架的索网,总重量就达到1300余吨。全部索网结构都必须在高空中拼装,整个索网安装工程预计将耗时六个月。

“哈勃”、“昌德拉”等太空望远镜都使用陀螺仪控制望远镜镜头方向,而FAST将采用机器人控制、轻型索电力拖动,牵引着500米口径、重达万吨的望远镜镜面,实现镜头方向定位——这就可以让望远镜全天候工作,并且能够在受控条件下观察任意一个太空方位。

眺望宇宙边缘

1960年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的马丁·赖尔利用干涉原理发明“综合孔径射电望远镜”,大大提高了射电望远镜的分辨率。其基本原理是:用相隔两地的两架射电望远镜接收来自同一天体的无线电波,两束波进行干涉,其最高等效分辨率将等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜。当前,射电天文学领域已经利用这一技术把遍布全球的射电望远镜综合起来,获得了等效口径相当于地球直径量级的射电望远镜。赖尔因为此项发明获得1974年诺贝尔物理学奖。

或许有人会问:既然这项技术已经让科学家拥有了“等效口径相当于地球直径量级”的射电望远镜,那么建造口径仅仅为500米的FAST还有什么意义?

提出这一问题的朋友混淆了两个概念,那就是望远镜的“灵敏度”和“分辨率”。“综合孔径射电望远镜”技术仅仅能够提高射电望远镜的分辨率,但假如相隔两地的两架射电望远镜灵敏度不够高,那么这一技术根本派不上用场——这好像是警方破案,全国联网通缉固然可以迅速找到犯人,但之前确定犯人是谁,仍要依靠某一特定公安局——其破案能力就如同射电望远镜的灵敏度。迄今为止,提高射电望远镜灵敏度的唯一方法,依然是增加收集宇宙电波的镜面面积。从理论上说,口径达500米的FAST可以观测到来自宇宙边缘的微弱电磁波。正因如此,中国科学家才敢说,作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20年-30年保持世界一流设备的地位。

来源:新京报 作者:方玄昌 郭铁流

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