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中国500米口径望远镜领跑世界 比国外灵敏10倍
发表日期:2015-02-25   阅读数: 

位于贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的500米口径球面射电望远镜全景。FAST工程办公室提供

    500米口径望远镜让中国射电天文领跑世界
  从贵阳机场驱车向南,经高速公路转上土石路,颠簸3个小时,穿过最后一道狭窄山口,500米直径的白色钢环突然出现,填满了视野。那是史上最大望远镜的圈梁。
  走上FAST(500米口径球面射电望远镜)的圈梁,像是走在一座钢桥上。它被50根6米到50米高低不等的钢柱支在半空,周长1.6公里,绕走一圈要40分钟。
  鸡蛋粗细橡胶表面的索绳,攀附圈梁悬垂交错,总重1300吨,已编织成网,于2月4日完工。下一步,就是拼装FAST的天线反射面。FAST预计2016年成型,中国的射电天文学届时将领跑世界。
  越大越好
  电视收不到信号时,屏幕上不是一片空白,而是雪花闪烁并发出刺刺声,这就是来自太空的射电信号。1931年,美国一位电子工程师发现,银河中心能传来有规律的电波。这开创了射电天文学。
  射电跟光没太大区别,都是电磁波。光只是能刺激眼睛的一小部分电磁波。从伽马射线到紫外线到可见光再到红外线和射电,各有监测这些不同波段电磁波的望远镜。“射电”是比红外线频率还要低的电磁波段。
  射电望远镜,跟收卫星信号的天线锅是一回事。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。
  为了提高射电望远镜的表现,天文学家想出一个办法,就是让许多个天线锅对准同一目标,通过比对信号算出更精确的信号位置。但是想接收更微弱的射电,只有把天线锅造得更大。中国科学院国家天文台FAST工程首席科学家、总工程师南仁东说,宇宙空间混杂各种辐射,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。
  1993年东京召开的国际无线电科学联盟大会上,包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”。他们期望,在全球电信号环境恶化到不可收拾之前,能多收获一些射电信号。建造FAST的动机肇始于此。
  FAST之前,世界上最大的射电天线锅,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”。前者是可以移动摇头的,后者借助波多黎各岛上的喀斯特洼坑,跟FAST相似。
  造更大的望远镜非常困难。天线锅要求毫米级的精度,在平地上建百米以上的天线锅,自重就会造成形变,一阵风也会让它变形。有天文学家提出了思路:在喀斯特地形下常见的“天坑”里造。
    最圆深坑
  1994年底,北京天文台(现国家天文台)牵头20所院校,提出了“喀斯特工程”。准备从中国西南无数个喀斯特地貌的凹坑中,选出一个来建大望远镜。
  看过遥感图,大家确定了300个候选的圆坑,经过走访又筛选出80个最圆的。贵州省黔南州平塘县克度镇金科村的一个圆形洼地——大窝凼,成为最有力的竞争者。“凼”,音荡,水坑的意思。
  “当时到这里来勘测,明显感觉比其他的凼更圆一点。”南仁东说,他下踏了百个天坑,大窝凼最合适。
  选一个形状最圆、深度和尺寸恰好的洼坑,可以减少“磨圆”所需的土石方工程量。在现场,南仁东指着坑底说:“绿色的地面是没有开挖过的,黄色的是动过土的。”我们目测这两部分面积是一比一。
  水在石灰岩上削出几百米直径的“凼”。凼的底部都会有一个至少浴缸大小的水洼,这是积水向下渗透的地方。天文学家们考虑到,喀斯特地质下,积水可以从坑底渗漏出去,不至于於积和危害天线。不过FAST的天坑里,还是开掘了一条通到“隔壁”坑里的排水道。
  指着建在山腰上的六座钢架(它们将来要拉吊起信号接收器),南仁东说,如果不依托天坑,这些钢架就得从平地而起,不光造价承担不起,也无法达到精度要求。
  在天坑中建筑,很麻烦的一点是空间腾挪不开。为此施工人员想了很多办法,用人工补机器的不足,采取一系列新工艺,得以把几十座钢梁和几十段框架,一点点搬运到恰当的位置。
  毫米精度
  FAST的设计目标,是把覆盖30个足球场的信号,聚集在药片大小的空间里。不如此,就无法监听到宇宙中微弱的射电信号。500米的结构,要实现毫米级精度,是天文学家从未做过的。
  光确保钢结构不变形就是一大挑战。热胀冷缩效应无法忽视。南仁东指着钢架与边框相接处说,到了夏天,边框会比冬天外移30厘米。1.6公里长的巨大边框并不固定,而是“搁”在钢架上,它与钢架的接触面是一层平滑材料。这样即使边框胀缩,钢架也不会歪斜。
  FAST的天线锅呈现标准的球形,在工作时它会变形,在适当的位置形成一个300米直径的抛物面(只有抛物面才能聚焦信号,球面和抛物面差距最小,可以最方便地在局部形成抛物面)。FAST靠变形来转换天线方向。
  就像水手扯动缆绳控制帆的朝向一样,FAST拉扯索网来变形天线锅。FAST的钢索网,联系着边框以及2000多个天坑地表面上的小电机。这些电机配合动作,控制着钢索网的形状。整个变形过程,由激光定位系统校准。
  而在索网的上空,高高悬着一个类似于神舟飞船大小的馈源舱(信号接收单元),内设世界最精贵的接收器。这个接收单元内部,也有一个有六条伸缩腿的变形框架,负责把接收器放置在焦点上。30吨重的馈源舱,被六条400多米的钢索吊起,移动范围达200米,再求精度,谈何容易。
  框架、索网、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。
  比起目前领先的“埃菲尔斯伯格”望远镜,FAST的灵敏度将提高10倍。这意味着,远在百亿光年外的射电信号,FAST也有可能听到。
  监听奇迹
  FAST建成后,天文学将注定有许多突破。
  首先,FAST能够发现更多的脉冲星。脉冲星是1967年发现,因为信号规律,开始被误认为是外星人发出的信号。现在普遍认为,脉冲星是一种高速旋转的中子星,就像海边的灯塔,旋转的光柱扫过地球。但也有一些证据似乎不支持灯塔模型。
  南仁东说:“现在我们侦测到的约2000颗脉冲星,全都是银河系内的。别的星系想必也有脉冲星。所以FAST会避开银河,对准别的星系,发现更多奇特的脉冲星,了解它是什么东西。”
  南仁东说:“我们很可能会发现一些前所未见的脉冲星现象,比如说一个脉冲星和一个黑洞结对,那么就可能产生突破性的理论。”FAST期望第一年就找到几十颗银河外的脉冲星。
  FAST还可能观察到早期宇宙的蛛丝马迹——中性氢云团的运动。所谓中性氢,就是宇宙中未聚拢成恒星发光发热的氢原子,是一个质子加一个电子。本来从远处是看不到氢原子的,但质子和电子就像旋转的星球一样有磁极。如果电子磁极罕见地倒转了,一种波长为21厘米的微弱电磁波就跑了出来。
  监测21厘米波,不仅能判断出哪里存在大量的中性氢,还能通过波长微小变化,判断出这些氢原子在远离还是靠近我们。
  由此,FAST观测中性氢信号,就能获知星系之间互动的细节,还可能发现早期宇宙中刚刚形成的氢是怎么运动的,从而为宇宙发育史提供线索。类似的道理,FAST还能监听到一些太空有机分子发出的独特电磁波,让我们更精确地描绘出宇宙图景。
  如果幸运,FAST还将尝试接收外星文明的电波。如果一二十年后,外星人有意无意释放的信号被地球收到,那肯定是FAST的功劳。
  绝对安静
  在中国有人烟的地区,大窝凼附近算是电波稀少的了。我们路过附近的另一个凼——钻过几百米的漆黑山洞,突现一座世外桃源。天坑底部种着蔬菜和庄稼,几栋木房子,狗吠鸡鸣之外,万籁无音,令人心旷神怡。这里不通电线,最近一个乡镇在5公里外。
  射电望远镜正需要这么一处静土。贵州省政府2013年出台法令,在FAST周围设立一个5公里无线电静默区,30公里内不允许有干扰设施。附近的农民将为此搬迁。
  在距离FAST项目8公里的地方,散布有大小12个天坑组成的世界上最大的天坑群,其深度均超过300米以上,被称为“天坑博物馆”。贵州政府期望结合天坑和天文景观,“打造国际天坑天文旅游目的地”。
  而科学家们希望减少周边人类活动,避免电波风险。最灵敏的天线相当于最娇弱的耳膜,轻声耳语对它无异于大喊。南仁东说:“月亮上打手机,FAST也能听得一清二楚。”
  不要说用手机,就算是附近使用电器,或者几十公里外有飞机向地面发送信息,在FAST那里会造成一场电磁风暴。
  因此,未来在FAST现场工作的科学家控制使用电器。FAST的监听中心设在两道山以外。FAST获取的信号通过光纤传输到监听中心,再传送到外界,全程不能用无线装置。
  南仁东说,如果说FAST还有让人不放心之处,就是今后附近能否保持绝对电波静默。
   中国制造
  2015年,FAST将进入反射面拼装阶段。科技日报记者在现场看到了三角形的面板,铝合金制,边长11米,4000多块这种面板最终将拼出FAST天线锅。面板密布孔洞。南仁东说,一是为了风负载小一点,二是达到50%的透光率,让天线面下能长草,避免水土流失。
  FAST的设计和建造,体现了中国人领先于世界的工程能力。光是把33米长、70吨重的钢框部件一块块从沿海运送到山区,在狭小的坑里吊起、拼合,就足够令人赞叹了。负责施工的江苏沪宁钢机股份有限公司创新了很多工艺,包括吊装技术,在世界上头一个完成了这类工程。
  FAST是人类用极端手段探索遥远的星空,因而在建设中使用了大量非标准的工业模块,这就需要科研人员和各领域的制造厂商密切协作,强力攻关,并研发新技术。
  以钢索为例。FAST的钢索网很重,拉扯又频繁,因此需要超高的耐疲劳强度。我们一般所用的钢索,包括斜拉桥上的钢索,其强度都是200兆帕、200万次弯曲的,但FAST的钢索上需要装上反射面板,需要经常调换角度,不断拉伸,再加上FAST至少需要应用30年,所以设计人员提出了安装强度为500兆帕、200万弯曲次数的钢索。FAST工程团队和柳州欧维姆机械股份有限公司等单位合力攻关。
  FAST工程研究人员历经了无数次的失败。比如,当他们试验到350兆帕的时候,仅弯曲6万次就失败了;他们如果做一次200万次的弯曲试验,就需要10天。经过工程团队的不懈努力,柳州欧维姆机械股份有限公司终于研发出了符合要求的新的钢索材料、包裹材料和制造工艺,满足了FAST的要求。同时他们也申请了12项专利。如果这种钢索使用到斜拉桥上,将大大提高桥梁的质量和寿命。
  望远镜的馈源舱是在天线锅中心的正上方吊起来的,由锅外6个支撑塔通过钢索共同拽住。馈源舱需向外传输的信号,都需借助支撑塔上的光缆输出,不能使用无线通讯。因为馈源舱需要不断地调整位置,拽着它的钢索就需要不断地拉伸,附着其上的信号光缆也随着不断拉伸。FAST工程团队设计了一种“窗帘式”的机构,信号线和电源线耷在钢索上,可随钢索一同拉伸。这不仅要求它们要能够抗弯曲疲劳,而且还需要信号线内的光纤在拉伸中不致信号衰减。
  国内以前对光纤弯曲的要求一般几十次就可以了。而FAST工程要求光纤5年抗弯曲疲劳6.6万次。
  FAST工程团队与北京邮电大学、武汉烽火通讯公司、北京康宁光缆公司等合作攻关,研发了4年,终于制造出了突破10万次弯曲疲劳寿命的48芯动光缆,同时让信号衰减达到最低,达到了FAST的要求,同时刷新了世界纪录。
  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。
  预计两年后,FAST获得的信号,将通过这条光缆传输到外界。每天会有海量的数据在贵州、北京和全世界的计算机中分析。FAST好比一把更密的筛网,能捞出宇宙中更多的漂流瓶。中国的工程专家是实现这一奇迹的功臣。