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中国天眼:让人类“看”得更远(走近大科学装置④)

来源:网络整理 作者:admin 人气: 发布时间:2021-04-30
摘要:清晨拍摄的“中国天眼”全景。 新华社发 贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼洼地,层峦叠嶂,翠林如海。

中国天眼:让人类“看”得更远(走近大科学装置④)

 

  清晨拍摄的“中国天眼”全景。
  新华社发

 

中国天眼:让人类“看”得更远(走近大科学装置④)

 
 

  贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼洼地,层峦叠嶂,翠林如海。被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)坐落在群山环抱之中,像地球上的一只巨眼,静静凝望天空,探寻百亿光年之外的射电信号。

  科学家曾诗意地形容,半个多世纪以来,人类接收到的宇宙信号的力量还不足以翻起一页纸,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。他们期待用更强有力的工具观测来自遥远星河的信息。

  自2020年1月对国内开放运行以来,借助全新的设计思路、得天独厚的位置以及突破了天文望远镜百米工程的极限,“中国天眼”迄今已发现300余颗脉冲星,并在快速射电暴等研究领域取得重大突破。今年3月31日,这一具有我国自主知识产权的重大科研基础设施又正式向全世界的天文学家发出邀约,一同打捞宇宙中更多的“漂流瓶”。

  看宇宙的“大眼睛”

  站在观景台向下俯瞰,依托喀斯特地区“天坑”而建、直径达500米的大科学装置形似一口银色“大锅”,架在周围6座高度超过百米的支撑塔上。

  FAST首席科学家李菂介绍说,该装置是目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它的观测能力是德国波恩100米望远镜的10倍,是美国阿雷西博300米望远镜的2.25倍。

  大科学装置的表面共有4500块三角形主动反射面,它的设计目标,是要把覆盖30个足球场大的信号聚集在一颗小药丸大小的空间里,否则就难以监听到宇宙中微弱的射电信号。这个“小药丸”就是馈源,放在馈源舱内——类似一个收集卫星信号的喇叭式装置,称得上是世界最精贵的接收器。

  就像水手扯动缆绳控制风帆的方向,FAST通过拉扯钢索网来使天线锅变向,这就要靠与钢索网相连的2000多个小电机来控制完成。整个变向过程,由激光定位系统校准。悬空的馈源舱重达30吨,被6条400多米的钢索吊起,移动范围可达200米。钢索网、馈源舱接收器,每一部分的位移都要控制在毫米级,大科学装置才能正常工作。

  在风势较大时候,人们能听到整个FAST发出的阵阵悦耳“风铃声”——那是它的反射单元震动发出的低频声响。在看不见的地下,还埋藏着超过10万根光纤,为数据传输提供保障。

  FAST的诞生可以追溯到上世纪90年代,天文学家南仁东提出要建设中国自己的巨型射电望远镜。1994年,选址工作正式开始。南仁东和团队用12年时间,对照着300多张地图,走遍我国西南地区1000多个洼地,终于选定了拥有天然石灰岩溶地形、大小合适、人迹罕至的贵州省平塘县,让大科学装置在此“安家落户”。

  大科学装置的建造过程艰苦卓绝。科研人员和建设者们住在板房里,室内没有热水,没有洗手间,室外全是土路。即使铺好了路,也会被来往的重型卡车压垮。

  2016年9月19日,FAST系统联调成功。调试团队第一次利用整体系统探测到人类此前发现的首颗脉冲星信号,这意味着装置可以正常运作。李菂感叹,看着FAST一步步从设想变为现实,真的是奇迹。

  2017年8月27日,团队首次实现了对特定目标的跟踪观测,并稳定地获取了目标源射电信号,这意味着FAST的“眼珠”可以转动了,也标志着望远镜最具难度、最具风险的功能性调试完成了。

  “之后,FAST就可以克服地球的自转,对天体目标源进行跟踪观测。望远镜的灵敏度不仅与接收面积有关,还与跟踪时间有关。就像人的眼睛一样,只是扫视一下的话,只能看个大概轮廓。如果想看清细节,就需要对着目标仔细端详。这也是装置最重要的一个功能。”FAST总工程师、中科院国家天文台研究员姜鹏说。

  具备多领域超强“发现力”

  “嘀—嘀—嘀”,显示屏上,代表声波的曲线有节奏的起伏。李菂说,这是FAST发现的第一颗脉冲星,研究者根据真实的脉冲信号强度转换成音频与动态图像,可以更真切地感受脉冲星信号的规律性。

  脉冲星是一种高速自转的中子星,具有极高的磁场和密度。它的自转周期精确稳定,辐射出的电磁波可以看作是如同脉搏般的脉冲信号。因此,脉冲星被比作“宇宙的时钟”,其准确的时钟信号为引力波探测、航天器导航等重大科学及技术应用提供了理想工具。脉冲星作为大质量恒星坍缩后超新星爆发的产物,对于研究超新星爆发等宇宙现象也相当重要。

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