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超級「天眼」是咋回事?

超級「天眼」是咋回事?

射電望遠鏡被譽為觀測宇宙深空的 「天眼」。與傳統的天文望遠鏡不同, 電望遠鏡被譽為觀測宇宙深空的 它是利用接收宇宙中發射出來的電磁波信號來探測宇宙天體的,其優點是探測距離遠,靈敏度高,特別是隨著其接收信號的反射鏡面的口徑增大,探測的距離和靈敏度將大幅提高。

1609年,義大利科學家伽利略用自製的天文望遠鏡發現了月球表面高低不平的環形山,成為利用望遠鏡觀測天體的第一人。20世紀40年代,外形類似巨型大鍋的射電望遠鏡問世。隨著科學技術的發展,「天眼」的反射鏡面口徑增大到100米、300米,利用這些巨型「天眼」相繼發現了類星體、脈衝星、星際分子和微波背景輻射,但仍不能滿足人們對探測宇宙深空和地外文明的需要。

什麼是射電望遠鏡?小編用一張圖給大家科普一下:

令全球驚嘆的超級「天眼」亮相

2016年9月25日,全球最大的單口徑射電望遠鏡──500米超級「天眼」睜開它那巨眼觀測宇宙。超級「天眼」的建成啟用不僅標誌著在科技前沿實現重大原創突破,而且也是躋身世界科學強國的一種體現。更引人注目的是,它將給全球科學家提供「慧眼」來探索宇宙深空的奧秘。

代表世界高科技先進水平的超級「巨眼」,將首批觀測目標鎖定在直徑10萬光年的銀河系邊緣,探索恆星起源的秘密,尋找地外文明,從而在世界天文史上鐫刻出新的刻度。

氣勢宏偉壯觀的超級「天眼」不僅令全球驚嘆,而且獲得了世界著名專家的高度評價。國際射電天文學研究中心教授安德烈亞斯·維切內克稱讚說,超級「天眼」是一個工程奇迹,無疑顯示了在發展高技術硬體方面取得了驚人的突破。美國著名科學家、諾貝爾獎獲得者約瑟夫·泰勒說,超級「天眼」將會帶來許多新的、重要的科技成果,並使在全球科技領域佔據更重要的席位。

高新科技鑄就世界最大 「天眼」

射電望遠鏡的工作原理是通過其面積很大的巨鍋狀反射鏡面接收來自宇宙中由天體物質所發射出來的電磁波,並將電磁信號聚集增強,然後進行分析判斷,以確定所探測的目標。射電望遠鏡的口徑越大,觀測的距離就越遠。因此,建造口徑更大的射電望遠鏡已成為天文學界的理想追求。

科學家於1994年提出建造口徑500米超級「天眼」的構想,從預研到建成歷時22年。設計與施工中,採用高技術創新科技打造成的世界最大口徑、最靈敏的射電望遠鏡有以下幾個特點:

一是大膽、巧妙地採用大自然造就的山谷天坑為超大型「天眼」安家。這個位於貴州平塘喀斯特地貌的天坑,其外形與巨鍋狀的反射鏡非常吻合,就像雞蛋卧在蛋杯里一樣坐落在山谷中。天坑直徑約600米,深達300米,底部平整,凹陷弧度均勻。這樣,無需開山炸石,就可以在大幅減少工程量的情況下方便建造。而且周圍人煙稀少,附近5到10千米範圍內不會有干擾「天眼」正常工作的電磁波信號發射。

為選天坑,科技人員找遍了貴州的喀斯特地貌山區,初步確定了300多個候選窪坑。然後,通過計算機模擬工程填挖量,從中選出30多個進行實地考察,最後才選中這個形狀很圓、大小和深度合適,而且適於施工建造的最佳自然天坑。

二是創新設計,製造了可以靈活轉動的「天眼」。根據觀測方向不同,這隻巨型「眼睛」如同人轉動眼珠一樣,可以通過拉動索網來調整形似大鍋的反射鏡面方向,從而使超級「天眼」觀測遙遠的太空不存在方向上的死角。而號稱當前世界第二大口徑(300米)射電望遠鏡的美國阿雷西博望遠鏡,卻是固定在地面上不動的。這樣,美國的「天眼」只能通過改變天線饋源的位置掃描天空中的一個帶狀區域,而的超級「天眼」的創新在於利用巨型鍋狀反射面在射電電源方向上形成幾百米的巨型反射面,更便於追蹤深空移動的天體,其綜合性能比美國「天眼」提高了10倍。

三是採用了世界上跨度最大、精度最高的索網結構,也是世界上第一個變位工作方式的索網體系,即由6670根主索和2225根下拉索完整拼出的超級「天眼」巨鍋狀反射面索網。這一索網用作超級「天眼」的骨架,其上鋪裝有4450塊厚1毫米的鋁合金制反射面板,總面積相當於30個足球場那樣大。每塊反射面板的背後都用鋼索牽拉,就像人操控木偶那樣,可以隨著天體的移動來調整巨鍋狀反射鏡面的方向,從而控制由6座高塔支撐的猶如超級「天眼」瞳孔的饋源艙,使「天眼」能靈活自如並精確地探測天體目標。這是一個無先例可循、極具挑戰性的技術難題。

四是周到細緻設計反射鏡面板。鑲嵌在索網孔洞上的每一塊反射鏡面板上都有孔,透光率可達50%。這樣, 既可以防止反射鏡面板上積聚雨水, 影響反射鏡面探測電磁信號的性能, 又能將雨水滲漏到天坑底部的樹木花草上, 加上有孔的反射面板透光性能好, 使這些植被生長絲毫不受影響。此外,超級「天眼」所處的喀斯特地貌既可以保障雨水向地下泄流,不會對設備的運行產生影響,又可以為「天眼」提供天然屏障,以免地球上的無線電噪音和氣流干擾來自太空的信號。

五是施工和安裝中攻克了各種技術難關。例如,自主研發的用於測量反射面板間距離的高精度角錐反射稜鏡可以保證每一塊反射面板的精確安裝,將面板間的距離誤差控制在0.1毫米以內,並使角度誤差不超過0.1秒。再如,這個世界上跨度最大、精度最高的索網結構所用的高應力幅鋼索,歷經上百次拉索試驗,才達到超級「天眼」工程對鋼索疲勞性能的要求,而且高於國際標準1倍以上。

六是設計採用了6個高塔來懸挂和調整饋源艙,並以精密齒圈實現饋源接收機的空中轉體,保證饋源相心始終對準焦點位置,從而實現對來自宇宙深空微弱信息的高效率接收。

超級「天眼」高強本領的閃光亮點

由於來自太空天體尤其是宇宙深空天體的電磁波信號極其微弱,從射電望遠鏡誕生至今70年來所有傳統射電望遠鏡收集的電磁信號能量還翻不動一頁書。因此,要探測宇宙邊緣的信息就需要像超級「天眼」這樣的超大口徑射電望遠鏡。這是因為超級「天眼」具有超強的探測能力,它發現氣體星雲有望比過去提高10倍,發現脈衝星數量有望翻倍,還有望發現新的星際分子。利用傳統射電望遠鏡已發現的2500顆射脈衝星全部位於銀河系內,而超級「天眼」的首批探測目標便是依靠其超群的靈敏度搜尋河外星系的脈衝星。

位於貴州的500米口徑球面射電望遠鏡被稱為「天眼」

的超級「天眼」與號稱「地面最大機器」的德國波恩100米射電望遠鏡相比,其靈敏度提高了約10倍 ;與被評為「人類20世紀十大工程之首」 的美國300米阿雷西博射電望遠鏡相比,其綜合性能也提高了10倍。由於超級「天眼」比目前世界上所有射電望遠鏡都更大、更靈敏,因而在尋找外星生命方面它將探測得更快、更遠,並將獲得目前世界還沒有的發現。有人形象地表述了超級「天眼」的超強靈敏度:如果來個時空穿越,即使嫦娥在月宮裡打手機,也逃不出超級「天眼」銳利的目光。

超級「天眼」具有超強的探測本領,能接收到137億光年以外的電磁波信號,這個距離接近於宇宙的邊緣。因此,超級「天眼」能看到更遠、更暗弱的天體,可觀測的天體數目將大幅度增加。利用它可探測星際分子、搜索可能的星際通信信號,可以使尋找地外文明的概率提高5至10倍。

由於超級「天眼」最擅長探測中性氫,這是宇宙中最豐富的元素, 也是形成恆星的原料。通過探測中性氫可研究宇宙大尺度物理學, 以探索宇宙起源和演化。它的另一大科學目標就是觀測脈衝星。脈衝星是恆星死亡后遺骸存在的一種形式, 屬於高速自轉的中子星, 是除黑洞外密度最大的天體。觀測脈衝星不僅可研究極端狀態下的物質結構與物理規律, 而且能為航天器提供精確的導航信息。據報道,超級「天眼」近期已接收到來自1351光年外的一顆脈衝星發出的脈衝信號,展現了它出手不凡的高超本領。

大有作為與廣闊發展前景

超級「天眼」將在宇宙大尺度物理學、物質深層次結構和規律等方面提供發現和突破的機遇, 也將在日地環境研究、國防建設、航天航空和國家安全等方面發揮著不可替代的作用。

老一輩天文科學家曾語重心長地說,擁有超級「天眼」這樣的望遠鏡一直是個夢想。「二戰」后,隨著射電望遠鏡的問世, 接連湧現出類星體、脈衝星、星際分子和微波背景輻射四大天文發現, 而我們由於缺少相應的觀測設備使這些領域長期處於空白狀態。現在夢幻變成現實, 我們要充分發揮擁有超級「天眼」的優勢,迎頭趕超,使成為世界科學強國。另外,這個超級巨型「天眼」除科學家使用外,未來兩至三年將開放給外國科學家。

超級「天眼」還將在以下相關領域得到應用:一是可參與航天工程中的測控系統工作,把空間測控能力由地球同步軌道延伸至整個太陽系;二是用它來接收深空衛星的通信數據,從而把數據的下載速度提高100倍;三是可作為非相干散射雷達接收系統,提供高解析度和高效率的地球中高層大氣、電離層和地磁場的有關參數,為子午工程(大型空間環境地基監視系統)做出貢獻;四是超級「天眼」實際上就是安放在雲貴高原上的一部超大型被動式雷達,以其更快、更遠和更準的探測能力,將在軍事戰略上具有重要意義。

按計劃,將打造立體的「天眼」集群,即將超級「天眼」和其他5座射電望遠鏡組成「天眼群」——甚長基線干涉測量網,並主導國際射電領域的低頻測量網,從而更好地獲取天體超細結構。

超級「天眼」將有可能取得重大科學突破。根據有關規劃,在其保持世界領先的10年至20年裡,它將預期觀測到兩倍於目前已知數量的脈衝星,發現10倍於已知數量的氣體星雲。目前,由於脈衝星的穩定性比目前最穩定的氫原子鐘還要高1萬倍以上,因而被譽為「宇宙燈塔」,可用於航天器導航。脈衝星發出極為穩定的X射線脈衝信號,能為近地軌道、深空探測和星際飛行航天器提供高精度的位置、速度、時間和姿態等自主導航服務。已於2016年11月10日成功發射了脈衝星導航試驗衛星,並計劃在未來5至10年持續探測26顆脈衝星,以開展新型導航技術的深入探索。

更值得期待的是,超級「天眼」將加入國際組織的「突破聆聽」計劃,開展外星生命的搜索探測。超級「天眼」500米口徑的巨大反射鏡面可探測到非常微弱的電磁波信號,發現外星文明的可能性將大幅度提高。

撰文|崔金泰

作者:崔金泰,科普作家。曾兩次獲得「成績突出的國防科普作家」稱號。

本文刊登在《今日科苑》雜誌2017年2月刊科技隨筆欄目。

科學家

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