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工人日报 2016年07月08日 星期一

寻觅十载,在贵州黔南州的平塘县,科学家终于为“FAST”这个史上最大射电望远镜找到了安身的“家”——

“超级大锅”里装了多少料?

□本报记者 李丰
《工人日报》(2016年07月08日 06版)

图为从FAST馈源舱处拍摄的天空。新华社记者 欧东衢 摄

7月3日,位于中国贵州黔南州平塘县内的500米口径球面射电望远镜(FAST),顺利安装最后一块反射面单元,标志着FAST主体工程完工,进入测试调试阶段。

“望远镜看起来就像口超级大锅。”

“听说假如用它满满煮上一锅饭,足够全世界70多亿人聚在一起吃上3天。”

当地人纷纷这样表达着对这款具有我国独立自主知识产权的FAST的第一印象。普通人对它不了解,只知它是目前世界上正在建造及计划中的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜。但有了它,科学家们可以探测脉冲星、中性氢、黑洞吞噬小天体,探索星体演化、宇宙起源、外太空智能生命,还能和遍布祖国各地的其他射电镜组成阵列,形成虚拟的超大望远镜。

面积相当于30个标准足球场

作为目前世界上在建的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,中国“天眼”为何选址偏远的贵州黔南?

打开卫星地图,贵州平塘县的地貌好似布满褶皱的大象皮肤。再提高分辨率,就能看到大大小小的“漏斗”——“天坑”群,其中有一个就是科学家寻觅十载为这个最大望远镜找的“家”。

1993年,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,旨在回溯原初宇宙,解答天文学中的众多难题。1995年底,射电“大望远镜”中国推进委员会提出,利用贵州喀斯特洼地建造球反射面的“喀斯特工程”概念。此后,科学家们跋山涉水勘察选址,最终在平塘县克度镇找到了“大窝凼”——最适合硕大“天眼”的“眼窝”。

FAST项目馈源支撑系统总工程师孙才红解释选址“大窝凼”的原因:一是地貌最接近FAST的造型,工程开挖量最小;二是这里的喀斯特地质可以保障雨水向地下渗透,不会在表面淤积而损坏和腐蚀望远镜;三是射电望远镜需要一处“净土”,“大窝凼”附近5千米半径之内没有一个乡镇,无线电环境理想。

“FAST周围三座山峰呈三足鼎立之势,每座距离都在500米左右,中间的洼地犹如一个天然的锅架,刚好稳稳地盛下这口‘大锅’。”孙才红说。

据FAST工程总工艺师王启明介绍,FAST的反射镜边框是1500米长的环形钢梁,反射面由4450块反射面板单元组成,总面积约25万平方米,相当于30个标准足球场的面积,用于汇聚无线电波、供馈源接收机接收。因无前例可循,从起初每日只能拼装一块发射面单元,再到日均拼装20块、高峰值达到37块,施工人员克服了诸多技术难题。

有可能“看到”“找到”外星人

“人类的梦想之一,就是在电波环境彻底破坏之前,真正看一眼初始宇宙,弄清宇宙结构是如何形成和演化的。只有大射电望远镜才能帮助人类实现这一梦想。”国际天文学会第十部副主席、国家射电望远镜项目首席科学家南仁东博士说。

光和广播电视信号都是以光速传播的电磁波,区别只在波长。千百年来人类只是通过可见光波段观测宇宙,而实际上天体的辐射覆盖整个电磁波段。射电望远镜是接收天体射出的无线电波的望远镜。天体辐射的电磁波极其微弱,70年来所有射电天文望远镜收集的能量,甚至翻不动一页书。 所以,科学家希望拥有更大的射电望远镜,原因很简单——望远镜越大,收集的电磁波越强。

连日来,随着FAST工程的快速进展,也牵动着不少国际国内天文学家和天文学爱好者的神经。FAST那么灵敏,它能接收到遥远世界里发过来的极其微弱的“外星人”的信号,甚至找到“外星人”吗?

在天文专家赵之珩看来,FAST建成后能够接收到从宇宙深处发来的无线电波,会有一系列新的发现,从而将我国在天文研究水平向世界先进行列推进一大步。“FAST能从宇宙的今天看到很远的地方去,有助揭开宇宙起源之谜,甚至是‘地外文明’。”中国天文学会理事长、中国科学院院士武向平说。

射电波段的观测推动了地球人对宇宙的理解,如20世纪60年代四大发现:宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际有机分子。现代天文学上的“两暗一黑”(即暗物质、暗能量、黑洞),还存在着许多的谜团。赵之珩认为,FAST接受和放大它们发来的微弱信号,有助于揭开这些谜团。

中国天文学会会员、天津市天文学会理事史志成表示,FAST将探测宇宙中遥远的信号、物质,例如电磁波、微波、激光、宇宙中的各种气体、有机物、星际物质、恒星等的辐射信息,将对脉冲星、类星体等各种暗弱辐射源进行更精密观测,对它们的物质结构、产生机制进行深入探索,有望对认识宇宙起源与演化过程作出贡献。

还有更高更深的意义和影响

未来,FAST将把我国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘,将深空通讯数据下行速率提高100倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的120纳秒提高至30纳秒,成为国际上最精确的脉冲星计时阵,为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。它可以作为被动战略雷达为国家安全服务,还可服务于太空天气预报。

另外,FAST研究涉及众多高科技领域,如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理、超宽带信息传输、海量数据存储与处理等。FAST关键技术成果可应用于诸多相关领域,如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。

“FAST的建设经验,将对我国制造技术向信息化、极限化和绿色化的方向发展产生影响。”郑晓年举例说,目前FAST的索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。其技术难度不言而喻,需要攻克的技术难题贯穿索网的设计、制造及安装全过程。仅以高应力幅钢索研制为例,FAST工程对拉索疲劳性能的要求相当于规范规定值的2倍,国内外均没有可借鉴的经验或资料作为参考。其研制工作经历了反复的“失败—认识—修改—完善”过程,最终历时一年半时间才完成技术攻关,所取得的成果已经在国际专家评审会上得到国外专家组的认可,成功在FAST工程上得到应用。

“FAST的设计综合体现了我国高技术创新能力。它将在基础研究众多领域,例如宇宙大尺度物理学、物质深层次结构和规律等方向提供发现和突破的机遇,也将在日地环境研究、国防建设和国家安全等方面发挥不可替代的作用。其建设将推动众多高科技领域的发展,提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新能力。”郑晓年表示。

FAST的诞生,也使平塘这个国家级贫困县一夜之间成为离星空最近的地方。记者了解到,目前当地政府正在围绕天眼、天坑、天书奇观,将“三天”资源整合起来,打造平塘独具特色的科普旅游网络,让科普旅游成为贵州旅游市场上的新热点,使之成为世界重要的天文科技旅游中心、国家天文学人才培养基地、国家天文科普教育基地。

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