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这就是中国优势 | 科技优势(八)中国天眼:单口径射电望远镜的终结者

华夏经纬网 > 新闻 > 热点聚焦      2022-07-28 14:00:14

这就是中国优势?科技优势

【导语】“可上九天揽月,可下五洋捉鳖,谈笑凯歌还。”这是一种豪情与诗意,也是当今中国正创造的奇迹。中国人对未知的好奇、对探索的渴望、对困境的思考以及对美好未来的期待,推开了一扇扇崭新世界的大门:空间探测、生物医药、人工智能、量子科学……中国科技创新的步伐从未停止。正如习近平总书记所说,一切伟大成就都是持续奋斗的结果,一切伟大事业都需要在继往开来中推进。新时代必将是大有可为的时代。


“如果存在外星人的话,那么现在只有中国能够提前警告外星舰队的入侵”,这全靠被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(简称FAST)。在美国阿雷西博望远镜坍塌退出历史舞台后,中国天眼FAST便成了成为全球连接星际银河的重要桥梁。

作为目前全球唯一的“天眼”,中国FAST直径长达500米,绕着它走一圈要半个小时;它的反射面积有25万平方米,相当于30个足球场的大小;如果把它盛满水,全世界每个人可以分到4瓶;它的灵敏度是世界上排名第二的美国阿雷西博望远镜的3倍左右,巡天速度是它的10倍以上,综合性能领先全世界20到30年;它的观测距离超过137亿光年,让人类在地球上就能够遥听来自宇宙深处的声音。

2020年1月11日,被誉为中国天眼的500米口径球面射电望远镜通过验收,正式开放运行。(图源:新华社)

2020年1月11日,被誉为中国天眼的500米口径球面射电望远镜通过验收,正式开放运行。(图源:新华社)


中国天眼让人类看得更远

浩瀚星空,广袤苍穹,自古以来寄托着人类的科学憧憬。天文学是孕育重大原创发现的前沿科学,也是推动科技进步和创新的战略制高点。

1994年,500米口径射电望远镜的构想,由中国天文学家南仁东提出后,历经论证、立项、选址以及艰苦建设,于2016年9月25日落成启用,进入调试期。2020年1月11日,中国天眼FAST通过国家验收正式开放运行,是具有中国自主知识产权、目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜。

“天眼”工程由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。(图源:新华社)

“天眼”工程由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成。(图源:新华社)

建设中国天眼FAST的挑战很多很大,中国天文学家们发挥了智慧的脑力激荡与自主创新,让这些挑战最终都迎刃而解。其中了不起的技术创新有许多项,例如材料的创新与巧妙运用轻型索支撑馈源系统,将万吨级的馈源平台减重到数十吨级,方便灵敏度高出世界第二大望远镜的2.5倍以上,可以用同样解析度看到其6.25倍以上远的视界。

对于FAST这口“大锅”不只中国关注,世界各国都在看。英国《每日电讯报》提到“中国开启了世界最大的望远镜”,它的500米口径,让此前最大纪录保持者,位于波多黎各的300米口径阿雷西博望远镜相形见绌。日本专业太空网站sorae认为,对望远镜而言规模就是能力,因此中国天眼具有强大的观测能力,能搜寻那些只有微弱信号的脉冲星。美国有线电视新闻网称,中国最大的天文望远镜将开始搜寻外星人!英国《卫报》则说,中国“未来可能的发现甚至会超出我们最疯狂的想象”。


中国天眼的正确打开方式

工作人员在中国天眼总控室内工作。(图源:新华社)

工作人员在中国天眼总控室内工作。(图源:新华社)

射电望远镜、大窝凼、反射板、索网……这些原本互不关联的名词,因为中国天眼FAST而组合在一起,共同解读着它的妙不可言。

中国天眼FAST这口“锅”的大,大得有道理。只要“锅”越大,接收信号就越多,灵敏度就越高。就像下雨时,盆子越大,接住的水就越多。科学家打过比方,以FAST的灵敏度,即便有人在月亮上打手机,也能被“看见”。

FAST“锅边”是一圈直径约500米、高5.5米、宽11米的环梁,由50个承台支撑。考虑到热胀冷缩,设计者巧妙地让支座实现滑移。“锅面”较为特殊,先要“编织”由6670根主索组成的网,再将4450块边长在10.4米至12.4米、重在427至482.5公斤、厚约1.3毫米铝制反射面单元,依次安装在索网上面。纵横交错的索网可以实现对反射面板的调姿,最终形成300米口径的瞬时抛物面。“锅底”更为有趣,馈源舱停靠平台位于主动反射面中心底部,重约30吨的馈源舱则均匀分布在“锅”周围的6个支撑塔的作用下,悬挂在距地面80米处。

FAST望远镜的日常体检。(图源:新华社)

FAST望远镜的日常体检。(图源:新华社)

在FAST提出的“科学目标菜单”上,排在首位的是巡视宇宙的中性氢。中性氢是指宇宙中未聚拢成恒星发光发热的氢原子,观测中性氢信号,能够获知星系之间互动的细节,还能推算宇宙发育的蛛丝马迹。另一道值得期待的“主菜”是观测脉冲星。脉冲星是大质量恒星演化的最终产物,目前已观测到的约2000颗脉冲星均在银河系内,FAST将对准银河系外。而随着“锅”的主体完工,科学家们将边调试、边收集“食材”。面对纷纭世界,他们还需过滤“杂质”,潜心运维,方能烹出一锅荟萃。


中国天眼进入成果爆发期

7月24日,星空下的中国天眼(维护保养期间拍摄,长时间曝光照片)。 (图源:新华社)

7月24日,星空下的中国天眼(维护保养期间拍摄,长时间曝光照片)。 (图源:新华社)

近年来,中国天眼FAST运行效率和质量不断提高,年观测时长超过5300小时,已远超国际同行预期的工作效率,为其科学产出起到重要支撑作用。而中国天眼的观测研究结果,也在用实际成果说明:中国的天文学家可以凭借FAST望远镜高超的性能,做出世界一流的研究成果。

——已发现660余颗新脉冲星

自2017年10月10日首次对外宣布发现脉冲星以来,截至2022年7月22日,中国天眼已发现660余颗新脉冲星。

脉冲星就是旋转的中子星,因不断地发出电磁脉冲信号而得名,其密度每立方厘米相当于1万艘万吨巨轮的质量压缩起来。从脉冲星中遴选出脉冲信号稳定的毫秒脉冲星,将来有望应用于星际导航。举例来说,如果要走到火星甚或走出太阳系、银河系,根本无法用地球上的GPS去导航,但如果能知道宇宙中很多脉冲星的位置,就可以通过它来定位导航。

科学家利用中国天眼开启脉冲星深度研究(图源:新华社)

科学家利用中国天眼开启脉冲星深度研究(图源:新华社)

——发现地外文明可疑信号

北京师范大学天文系的张同杰教授近日透露,其研究团队使用中国天眼发现了几例来自地球之外可能的技术痕迹和地外文明候选信号。这是几个不同于以往的窄带电磁信号,目前团队正在排查中。张同杰提到,2020年,团队处理中国天眼2019年的共时巡天观测数据时,就发现了两组地外文明可疑讯号;2022年,团队又从系外行星目标观测数据中发现可疑讯号,“可疑讯号是某种射电干扰的可能性也非常大,都有待进一步证实和排除,这可能是一个漫长的过程”。

——发现首例持续活跃快速射电暴

中国科学院国家天文台李菂研究员领导的国际合作团队,通过中国天眼FAST发现了迄今为止唯一一例持续活跃的重复快速射电暴FRB 20190520B,并将其定位于一个距离我们30亿光年的矮星系。这一发现对于更好理解快速射电暴这一宇宙神秘现象具有重要意义。

快速射电暴是宇宙中最明亮的射电爆发现象,在1毫秒的时间内能释放出太阳大约一整年才能辐射出的能量。2007年,它才在全球范围内被首次确定存在。此次中国天眼的发现中,“每小时约有3到4次爆炸,一次爆炸普遍持续千分之几秒”。

7月25日,夜空下的中国天眼(维护保养期间拍摄,长时间曝光照片)。(图源:新华社)

7月25日,夜空下的中国天眼(维护保养期间拍摄,长时间曝光照片)。(图源:新华社)

中国天眼用了不到两公里地铁的成本,建设了一个世人瞩目的超级工程。如今,中国天眼已向国际学术交流开放,并将面向全国中小学生开放1%的观测时间进行科普教育。中国科学院院士武向平此前透露,中国还将建设另外5台500米口径射电望远镜,与FAST组成一个巨大阵列,“将领先世界50年”。


(资料来源:中国科学院、新华社、央视新闻、中新网、科技日报)



责任编辑:姚思寒
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