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深圳市民文化大講堂

中國“天眼”到底有多厲害

 日期:2021-09-27   來源:解放日報

  

李奇生 圖片由“深圳市民文化大講堂”提供

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  ■李奇生
中國“天眼”即FAST射電望遠鏡,是世界上最大的單口徑射電望遠鏡,于1994年提出設想,歷經22年建成。
“天眼”能讓我們在宇宙中發現什么?請聽國家天文臺高級工程師、中國“天眼”現場辦公室原副主任李奇生在“深圳市民文化大講堂”上的講述。
除了向宇宙發送信息,我們也搜尋外來的信號。可是,經過幾十年的搜尋,我們至今沒有得到一點有價值的信息。在這方面,中國“天眼”可以充分發揮高靈敏度、高分辨率的優勢。
總而言之,中國“天眼”的建成,實現了我國射電望遠鏡從追趕世界到領先世界的跨越。FAST射電望遠鏡還將在未來20—30年繼續保持領先。 ——李奇生
一門基于觀測的學科
天文學是研究宇宙的學問。
天文學有一個特點:它是一門基于觀測的學科。宇宙天體離我們非常遙遠,所以我們獲得天體的信息只能通過觀測。通過觀測得到的結果,建立理論模型,再通過理論模型驗證觀測結果,如此反復循環,最終得到一個科學的理論模型。所以說,天文研究是基于一種推測而展開的。比如,在望遠鏡中看到的恒星,只是一個很小的閃爍的點。我們根據對它的亮度進行觀測,發現它的亮度變化有一定的規律。于是,在這個恒星的亮度圖上,我們就可以建立理論模型,初步推測這個點可能是兩顆星繞在一起轉。因為雙星繞轉時相互遮掩,所以它的亮度會出現有規律的變化。根據這種觀測得出結論,天上的星星有將近一半是雙星。
1825年,法國哲學家孔德曾經斷言:“恒星的組成成分是人類絕對無法得到的。”然而,30多年后,科學家通過分光技術得到的恒星光譜,不僅知道了恒星的化學成分,還知道了恒星大氣的溫度、密度和壓力以及恒星的自轉、質量、磁場等物理量。
當然,我們也有解釋不了的現象。1929年,美國天文學家哈勃用當時最大的胡克望遠鏡觀測到星系的退行速度和距離成正比。這說明什么?說明我們的宇宙在膨脹。20世紀末,宇宙學家進一步的觀測研究表明,宇宙在加速膨脹。然而,加速膨脹是需要能量的。這個能量是什么呢?我們目前還不知道,只能稱其為“暗能量”。這是我們還解釋不了的天文現象。
望遠鏡的口徑越造越大
可以說,天文學的研究是依賴于觀測設備的。天文學上取得的成就,都是和觀測設備性能的提高密不可分的。有了好的望遠鏡,才能看到更加遙遠、更加暗弱的天體,才能有新的發現。隨著觀測設備性能的提高,天文研究的內容也越來越廣泛。
隨著制造能力的提高,望遠鏡的口徑越造越大。一開始的望遠鏡只有幾十厘米的口徑,后來逐漸出現了1米以上口徑的望遠鏡。1918年投入使用的胡克望遠鏡,口徑2.54米,位于美國加利福尼亞州洛杉磯市外的威爾遜山。通過這架望遠鏡,天文學家觀測到宇宙在膨脹。口徑5.08米的海爾望遠鏡位于美國加州帕洛馬山上,于1948年建成,光鏡面研磨就花費7年時間。這架望遠鏡的可移動部分達530噸重,作為當時最大的望遠鏡在世界上“統治”了很長時間。美國的凱克望遠鏡,第一次突破10米口徑的量級。麥哲倫巨型望遠鏡的口徑達25米,將于2025年在智利建成,其成像清晰度將達到哈勃太空望遠鏡的10倍。美國TMT望遠鏡的口徑為30米,計劃建于夏威夷莫納克亞山,但目前項目受阻。E-ELT歐洲極大望遠鏡的口徑達39米,是目前在建的最大口徑光學望遠鏡,選址于智利的阿塔卡瑪沙漠,計劃2024年運營。
天文望遠鏡有兩個參數,一個是靈敏度,一個是分辨率。靈敏度是指望遠鏡能接收到最弱信號的本領,通俗地說就是“看得見”的本領。分辨率則是指望遠鏡能分辨出最小細節的本領,也就是“看得清”的本領。
天文望遠鏡和我們人眼看東西是不一樣的。人眼看見什么,就是什么,是不能累積起來的;而望遠鏡在跟蹤天體的觀測中,輻射不斷地累積在探測器上,因此,觀測的時間越長,越能看到更暗的天體。
射電望遠鏡的問世
1931年,一個名叫卡爾·央斯基的美國無線電工程師,在做無線電通信的干擾實驗時發現,除了雷電的信號外,始終還有一種來歷不明的信號干擾。經過仔細分析,他在1932年發表的文章中斷言:這是來自銀河系中心的射電輻射。他把這個結果告訴了天文學家,但當時并沒有引起重視。
1937年,美國人G.瑞伯在自己家里潛心試制射電望遠鏡,并取得了成功。他建造的射電望遠鏡也是世界上第一架拋物面型射電望遠鏡。1939年,瑞伯驗證了央斯基的發現,不僅銀河系中心有射電輻射,宇宙很多地方都有無線電輻射。
第二次世界大戰中,英國的許多軍用雷達有時會同時受到干擾,而當太陽出現黑子時,干擾就更厲害。由此科學家斷定,干擾來自太陽,說明太陽也有電波輻射。所有這些事實,使天文學家認識到,天體除了在可見光波段有輻射,在射電波段也有輻射。
至此,射電望遠鏡應運而生。隨著制造能力的提高,射電望遠鏡的口徑也越造越大。1957年建于英國的洛弗爾射電望遠鏡,口徑為76米,它發現了第一例位于球狀星云中的脈沖星。1961年建于澳大利亞的Parkes望遠鏡,口徑64米,它后來發現了很多脈沖星。德國100米口徑的波恩望遠鏡,建于1972年,重量達3200噸。
美國的阿雷西博望遠鏡是世界上第二大單口徑球面射電望遠鏡,于1963年建成啟用,口徑305米。位于美屬波多黎各的阿雷西博望遠鏡,依山地地形而建造。但是從2020年開始,因為年久失修,先后有兩根鋼索斷裂,同年12月,望遠鏡的接收機平臺從高空墜落,把望遠鏡徹底砸毀了。
目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡就是中國“天眼”——FAST射電望遠鏡,直徑達到500米。
中國“天眼”的三大創新
中國“天眼”有三大創新。
第一個創新,是利用地球上獨一無二的優良臺址——貴州天然喀斯特巨型洼地作為望遠鏡臺址。
FAST射電望遠鏡的臺址原貌是一個天然的大坑,其中住了14戶人家。1994年,FAST項目啟動。2011年開工建設,2016年完工,2020年通過國家驗收。這架望遠鏡有多大呢?它的接收面積有30個足球場那么大。如果你把它想象成一口大鍋,在里面裝滿了葡萄酒,那么全世界每人可以分到3大瓶(每瓶700毫升)。全世界一共有70多億人,你可以想象這個鍋有多大。
FAST射電望遠鏡是500米口徑的球面射電望遠鏡,它的觀測覆蓋面為天頂角40度,觀測頻率是70MHz—3GHz。目前,它是世界上靈敏度最高的射電望遠鏡。該項目共建設了5年半時間,總投資11.5億元。
第二個創新,是發明了主動變形反射面,在觀測方向形成300米口徑瞬時拋物面,匯聚電磁波。
射電望遠鏡的主要功能,是將來自天體的電磁波經過金屬鏡面反射后,匯聚起來,便于天文觀測。因此,射電望遠鏡常用的形狀有兩種,一種是球面,一種是拋物面。相對來說,球面反射后不是聚焦在一個點上,而是聚焦在一條線上,所以收集信號比較麻煩。拋物面經反射后信號會聚焦到一個點上,所以收集信號比較容易。
我們是怎樣設計FAST射電望遠鏡的呢?其實,這架望遠鏡雖然直徑是500米,但是我們觀測的時候,只把其中300米變成拋物面,并且通過300米區域的不斷移動來實現對天體的跟蹤。因為天體的位置是不斷移動的,所以我們必須不斷移動來實現實時跟蹤。
這么大面積的望遠鏡,其實每一塊面板都是可以上下移動的。上下移動的目的是什么?就是要把觀測天區這一部分的面板瞬時變成拋物面形狀。根據測量和計算,一個直徑500米的球面和一個300米的拋物面非常接近,它們之間最大相差還不到0.4米。所以,只要能夠精確移動球面的面板,就可以把球面變成拋物面。
具體是怎么建的呢?開挖后,我們先建起一個封閉的圈梁,圈梁的內徑就是500米。建完這個圈梁,再在圈梁上掛一個索網,也就是說,用手腕那么粗的鋼索編了一個大網兜掛在圈梁上。然后,在索網上安裝面板,每塊面板為三角形,邊長約11米,共4450塊面板。再在索網下連接2225個觸動器,可根據指令控制索網節點的高低位置。就這樣,我們可以把整體面板由球面變成拋物面,觀測結束后再變回球面。
這些面板非常薄,只有1毫米厚。而且,面板都是打孔的,一來可以減輕重量,二來可以使面板下的植被保持一定的日照。所以,像中國“天眼”這么大的建筑工程,對當地的生態環境保護沒有造成負面影響。
第三個創新,是自主提出輕型索拖動機構和并聯機器人,實現望遠鏡接收機饋源艙的高精度指向跟蹤。
饋源是指望遠鏡用來接收宇宙信號的裝置系統。如果把FAST比作一只眼睛,那么饋源就相當于它的視網膜,所有收集到的宇宙信號都要匯集到這里。饋源艙的直徑為13米,重30噸,它在206米的直徑范圍內不斷移動,因為它要時刻處在拋物面的焦點上。
在望遠鏡周圍,有6座最高達168米的支撐塔,通過6條鋼索將30噸重的饋源艙懸吊在球面的中心。這6條鋼索每根長600多米,直徑46毫米,重量達6噸。這個索驅動工程是目前世界上建成的最大跨度的柔索牽引并聯機構。要把饋源艙移動到焦點位置,需要分兩步走:由6條鋼索和艙內的AB軸系統進行第一次調整,位置的誤差在空間各方向不大于48毫米;第二次調整,由艙內的Stewart平臺(也稱“六桿剛性并聯機器人”)進行,精度可達到10毫米。
從追趕世界到領先世界
中國“天眼”有哪些科學研究目標呢?
第一,了解宇宙中的物質結構分布。怎么了解?通過對氫這個元素的觀測。氫是宇宙中最簡單、最容易形成的元素,也是最多的元素。我們只要觀測到一個地方有氫,就說明這個地方有物質。我們只要對空間進行掃描,就可以知道它的物質結構分布。這對于我們了解宇宙的演化過程有很大的幫助。
第二,觀測脈沖星。簡單來說,脈沖星是中等質量恒星死亡以后的必然結局。一個正常的恒星,比如太陽,每天都在進行核燃燒。因為核燃燒產生的輻射壓和星體的引力正好平衡,所以太陽的大小沒有什么變化。可是一旦核燃料燒盡,只剩下引力,天體就會一下子塌縮。會塌縮到什么程度呢?一個天體可能會壓縮成直徑只有20公里。因此,它的密度變得極大,自轉非常快,磁場能量也很大,輻射很強,我們目前還不清楚它到底是什么樣的物質結構。這正是我們希望通過觀測進一步了解的真相。
第三,探測星際分子。星際分子是什么?就是恒星之間的空曠區域,存在星云、塵埃,星際物質占銀河系的1/10。通過對這些星體進行拍攝,我們發現,星體之間存在很多復雜的分子。1963年,美國科學家發現了星際羥基分子(OH),這項成就獲得了諾貝爾獎。1969年又探測到甲醛,甲醛是氨基酸的前身。星際分子的組成元素都是地球生物的基本元素,這對于我們了解生命的起源、恒星的起源有很大的幫助。
第四,搜尋外星文明。從理論上講,像太陽這樣的恒星在宇宙中是非常多的,因此外星文明很可能是存在的。
美國的阿雷西博射電望遠鏡曾在1973年向M13星團發射了我們人類的一些主要信息。M13星團至少含有幾十萬顆恒星,所以朝著一個方向發射,被外星人接收到的概率是非常大的。這些信息包括1—10的數字、地球上最多的5種元素、人類的DNA結構等等。但是,M13星團離我們有多遠呢?信號到達那里需要2.5萬年。也就是說,真有外星人給我們回信,要收到也得5萬年以后了。
除了向宇宙發送信息,我們也搜尋外來的信號。可是,經過幾十年的搜尋,我們至今沒有得到一點有價值的信息。在這方面,中國“天眼”可以充分發揮高靈敏度、高分辨率的優勢。
總而言之,中國“天眼”的建成,實現了我國射電望遠鏡從追趕世界到領先世界的跨越。FAST射電望遠鏡還將在未來20—30年繼續保持領先。
(本報記者 徐蓓 整理)


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