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世界最大500米口径球面射电望远镜在中国贵州建成
时间:2016-07-05 [ ] 浏览次数:3865 来源:京华时报 视力保护色:


    2016年7月3日上午,位于贵州省黔南州平塘县大窝凼洼地的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(FAST)完成最后一块反射面单元的吊装,历时11个月的主体工程正式完工。这个有30个足球场大的巨大“天眼”,将在9月全部建成并初步投入使用。在它的诸多功能中,最受关注的是,它超强的灵敏度能将人类搜寻外星文明的能力提升到前所未有的水平。


  4450块反射面板安装完毕
  在FAST工程大窝凼台址现场,随着FAST工程总经理、国家天文台台长严俊的一声令下,最后一块反射面单元随着隆隆的鞭炮声缓缓起吊,在完成了二次空中转接并用缆索吊下滑到指定位置后,被顺利安装在索网上。
  据中科院国家天文台相关负责人介绍,主动反射面是FAST望远镜的重要组成部分,共有4450块反射面板单元,包括4273块基本类型和177块特殊类型。反射面单元边长为10.4米到12.4米,每块单元重427.0公斤到482.5公斤,厚度约1.3毫米。
  去年8月2日,FAST反射面单元吊装工程开始施工。一块块反射面单元在地面经过拼装、测量、报验等严格的步骤形成合格单元后,通过塔吊、转运车、缆索吊等一系列复杂的高空工序,被运至指定位置进行安装。

  在克服了大尺度、高精度的拼装施工难点以及跨度大、位置高等吊装施工难题后,经过11个月的艰苦奋斗,近30个足球场面积的反射面由一块块反射面单元逐渐铺设完成。反射面工程也是FAST最后一个设备工程,其顺利完成标志着FAST工程主体工程的顺利完工。据悉,大射电望远镜将进行两个多月的系统调试,于9月底正式竣工投入使用,但要实现所有功能参数最优化,它还要在两三年的观测中不断调试完善。


  可实现大天区面积观测
  据了解,FAST工程是“十一五”国家重大科技基础设施建设项目,建造世界第一大单口径射电望远镜的目标,是实现大天区面积、高精度的天文观测。

  1993年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”的倡议。1995年底,以中国科学院北京天文台(现国家天文台)牵头,国内20余所大学和研究所成立了射电“大望远镜”中国推进委员会,提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面,即“阿雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。此后,中国科学家们进一步推进喀斯特概念,提出独立研制一台新型的喀斯特单元,即500米口径球面射电望远镜。


  有望保持世界一流20年
  FAST台址最终确定在贵州省黔南州平塘县克度镇绿水村的“大窝凼”洼地。据介绍,携全新设计思路加得天独厚的台址优势,FAST突破了射电望远镜的百米极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。

  FAST与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与美国阿雷西博300米射电望远镜相比,其综合性能提高约10倍。作为世界最大的单口径望远镜,FAST有望在未来10年到20年保持世界一流设备的地位。


  □揭秘
  中国“天眼”强在
  体型大:
  FAST工程总工艺师王启明说,仅圈梁、索网和支撑馈源舱的6座高塔就用掉1万多吨钢材。“望远镜反射面总面积为25万平方米,相当于30个标准足球场那么大。尽管反射面板才1毫米多厚,也用掉2000多吨铝合金。”
  精度高:
  大射电望远镜绝不是金属堆砌的“傻大粗”,它是最精密的天文仪器。由于采用光机电一体化的馈源平台,加之馈源舱内的并联机器人二次调整,它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,可实现毫米级指向跟踪,确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。大射电望远镜的建造工艺也是精益求精。——十几米长的索,误差不准超过1毫米,生产流程必须用恒温装置,确保所有材料是在20摄氏度温度场生产的。
  ——公里尺度的钢索支撑体系,位姿精度却在毫米级。大连华锐重工集团高级工程师武荣阳说,观测天体时因为地球有自传,需要补偿地球自转。馈源舱直径13米,位姿精度误差不能超过48毫米,角度不超过1度。
  ——要能灵敏观测浩瀚星空,拼装面板子单元边界的精准定位是首要问题。科研人员为此专门设计的定位夹具,它能对每块面板的水平位置以及轴向高度进行精准定位,每个等边三角形交点孔位精度保持在0.1毫米至0.15毫米。——主动反射面的索网具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征,其500兆帕的超高应力幅,是国家标准的2.5倍。
  ——帮助反射面变位的2000多个液压促动器通过伸缩实现精确定位、协同运动,还可将自身各项状态信息上报给控制系统,满足适时跟踪、换源等运动要求。
  ——承担着传输各种数据信息使命的动光缆可经受反复弯曲、卷绕和扭转等机械性能和恶劣自然环境考验。
  视野广:
  “我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比,主动反射面系统是我们最大的创新。”中国科学院国家天文台研究员、FAST工程副经理彭勃说,大射电望远镜的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的4450个反射单元,在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面,极大提升观测效率。
  阿雷西博望远镜是固定望远镜,只能通过改变天线溃源的位置扫描天空中的一个约20度的带状区域。而主动反射面让中国大射电望远镜拥有更广的观测范围,能覆盖40度的天顶角。

  大射电望远镜的工作频率比较广。彭勃说,馈源舱内配置了覆盖频率70MHz~3GHz的多波段、多波束馈源和接收机系统。


  □关注
  观天巨眼要找啥
  “跟其他射电望远镜一样,中国大射电望远镜最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星,前者是研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化,后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”中科院国家天文台副台长郑晓年说。
  地球大气层留给人类探索宇宙两个窗口,一个是光学,一个是射电。对天文学家来说,如果光学望远镜是显微镜,那么射电望远镜就是CT机,可以获得天体的超精细结构。
  “有7套接收机,因为不同的波段观测的频率不一样,观测和研究目标就不一样。”中国科学院国家天文台研究员、FAST工程副经理彭勃说,在大射电望远镜眼中,宇宙和宇宙天体是一种立体的呈现。
  半个多世纪以来,全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸,中国大射电望远镜的加盟将大大加快这一速度。而收集的能量,意味着解读宇宙深处奥秘的信息量。
  “从射电望远镜诞生至今,人类共发现了约2500颗脉冲星,如果中国大射电望远镜的工作时间全部用于观测脉冲星,它一年时间内就有望将这个数量翻倍。”彭勃说,脉冲星可以用于脉冲星导航、脉冲星计时阵等应用目标。
  “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’,根本就分辨不出来。”FAST工程首席科学家、总工程师南仁东认为,大射电望远镜还有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。
  物理学发展中的每一次小小的进步,都伴随着极大的艰难与曲折。但在人类文明进步的每个阶段,物理学始终站在解放生产力的前沿。彭勃说,科学家利用阿雷西博望远镜发现引力波,并获得诺贝尔物理学奖,中国大射电望远镜则为自然科学特别是物理学相关领域提供了重大发现的机会。

  “针对大众十分关心的大射电望远镜能否用于寻找地外文明,答案是肯定的。”彭勃表示,它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高,它能看到更远、更暗弱的天体,通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号,寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。






“大窝凼”洼地(2009年5月25日摄)



FAST工程进展中。(2015年1月16日摄)



拼装第一块反射面板(2015年8月2日摄)



反射面板装近半(2015年12月16日摄)



反射面板安装完成(2016年7月3日摄)
  


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