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FAST:當(dāng)之無愧的世界最靈敏射電望遠(yuǎn)鏡

2019-07-23 07:47:20

來源: 科技日報

  坐落在貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)已經(jīng)落成啟用近3年時間了。截止到7月19日,這個世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了125顆優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體,確認(rèn)了86顆。這標(biāo)志著還處在設(shè)備調(diào)試階段(今年將正式進行國家驗收)的FAST已經(jīng)部分實現(xiàn)了其科學(xué)目標(biāo),能真正的作為一個實用的望遠(yuǎn)鏡而腳踏實地地開展天文觀測工作了。

  完成工程建設(shè)后的FAST,便進入了望遠(yuǎn)鏡本身的調(diào)試階段。FAST總工程師、國家天文臺研究員姜鵬說:FAST調(diào)試難度大,調(diào)試工作涉及測量、控制、力學(xué)、電子學(xué)、天文等多學(xué)科領(lǐng)域,具有極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。同時,F(xiàn)AST工作模式顯著區(qū)別于傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡,沒有成熟的經(jīng)驗可供參考。

  當(dāng)然,令人高興的是,F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)已實現(xiàn)了跟蹤、漂移掃描、運動中掃描等多種的天文觀測模式,有數(shù)項的關(guān)鍵指標(biāo)超過了預(yù)期。

  這曾是一代天文學(xué)人的夢想。

  1993年,在國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會上,中國等10個國家的天文學(xué)家提出應(yīng)建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”。他們期望,在電波環(huán)境被徹底破壞之前,真正看一眼初始的宇宙,弄清宇宙結(jié)構(gòu)是如何形成和演化至今的。

  建造FAST的動機始于此。

  1994年底,北京天文臺(現(xiàn)國家天文臺)牽頭國內(nèi)20所院校,提出建設(shè)“喀斯特工程”。他們從中國西南無數(shù)個喀斯特地貌的凹坑中,選中了貴州省平塘縣的大窩凼。2011年3月,這個工程(即FAST)正式開工建設(shè)。

  射電望遠(yuǎn)鏡同光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一樣,口徑越大接收到的電磁波越多,其靈敏度就越高,探測能力就越強。

  FAST望遠(yuǎn)鏡,是把覆蓋30個足球場的信號,聚集在藥片大小的空間里。借此,F(xiàn)AST能夠監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號。要達到這一目標(biāo),500米口徑的結(jié)構(gòu),必須實現(xiàn)毫米級的精度,這是之前的天文學(xué)家從未做過的。

  回顧建設(shè)歷史,姜鵬在接受科技日報記者獨家專訪時說,在建設(shè)過程中,F(xiàn)AST團隊逢山開路,遇水搭橋,完全是“摸著石頭過河”?!耙驗槲覀円黄粕潆娡h(yuǎn)鏡的百米口徑極限,開創(chuàng)建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式。它所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)極多?!?/p>

  科研人員要在大窩凼這個凹坑內(nèi)鋪設(shè)4000多塊單元組成的500米球冠狀的主動反射面,球冠的反射面在射電源方向要形成300米口徑的瞬時拋物面;使望遠(yuǎn)鏡接收機能與傳統(tǒng)拋物面天線一樣處在焦點上,要采用輕型索拖動機構(gòu)和并聯(lián)機器人,實現(xiàn)接收機的高精度定位。

  FAST靠拉扯索網(wǎng)來調(diào)整“天線”(大鍋)。整個索網(wǎng)聯(lián)系著邊框以及2000多個凹坑地表面上的促動器。這些電機協(xié)同配合,一致行動,控制著索網(wǎng)的形狀。而整個變形(調(diào)整天線)過程,是由激光定位系統(tǒng)校準(zhǔn)的。

  高懸在大鍋上方的一個類似于神舟飛船大小的饋源艙(信號接收單元),重達30噸,內(nèi)設(shè)世界上最精貴的接收器。它被6條400多米的鋼索吊起,移動范圍達200米,隨時接收相當(dāng)于30個足球場的大鍋傳來的信號。

  “框架、索網(wǎng)、接收器,每一部分的位移都要控制在毫米級,F(xiàn)AST才能正常工作?!苯i說,F(xiàn)AST僅反射面就需要2000多臺促動器協(xié)同控制,而且索網(wǎng)把所有促動器都連成了一個整體,可以說是“牽一發(fā)動全身”。

  令姜鵬感到欣慰的是,經(jīng)過兩年多的緊張調(diào)試,F(xiàn)AST的數(shù)項性能指標(biāo)超過預(yù)期,在靈敏度、系統(tǒng)噪音、指向精度等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上,已經(jīng)達到了國家驗收標(biāo)準(zhǔn)?!翱梢哉f,調(diào)試后的FAST是當(dāng)之無愧的世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡,可以幫助人類了解更遙遠(yuǎn)、更早期的宇宙?!?/p>

  2017年10月10日,國家天文臺在北京宣布,F(xiàn)AST望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了6顆新的脈沖星。這是國際上利用中國制造的望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)脈沖星,由此開啟了中國射電波段大科學(xué)裝置系統(tǒng)產(chǎn)生原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的新時代。

  目前,F(xiàn)AST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的脈沖星候選體超過百顆。FAST工程首席科學(xué)家、國家天文臺研究員李菂說:“2018年2月,F(xiàn)AST探測到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星之一,這顆脈沖星是其他國家很多望遠(yuǎn)鏡看了多次卻都沒有看到的。這充分證明了FAST在靈敏度方面的優(yōu)勢?!?/p>

  FAST的研制和建設(shè),體現(xiàn)了我國自主創(chuàng)新能力,還將推動我國在天線制造技術(shù)、微波電子技術(shù)、并聯(lián)機器人、大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量等眾多高科技領(lǐng)域的發(fā)展。記者 李大慶

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