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FAST:凝聚中国创新倾听宇宙声音

作者:医学职称
出处:www.lunrr.com
时间:2020-02-13

作者:赵睿资料来源:科学网发布日期:2017/8/30 21:22333618

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FAST:内聚中国的创新,倾听宇宙的声音

我记得当我第一次到达FAST时,只有一个巨大的天坑,四周一片荒凉。从坑底爬起来需要一个多小时。”快速饲料支持系统的助理工程师李明哲曾经描述过这一点。现在,当你开车去贵州南部的一个偏远小镇克都镇,穿过狭窄的山口到达一个叫大武堂的喀斯特洼地时,你的视野里会充满一个直径500米的白色钢圈,这是历史上最大望远镜的环形光束。

自1994年以来,中国科学院国家天文台与中国科学院遥感研究所、西安电子科技大学、清华大学等30家科研院所和大学共同投资建设了“世界最大单孔射电望远镜”(FAT),这是中国科学院的一项战略性试点项目,于2016年9月25日正式完成。这个有着22年历史的科学项目的完成将中国的天文学研究推向了一个更加广阔和深入的世界。

22年成就“中国的眼睛”

1993年在东京举行的国际无线电科学联盟会议上,包括中国在内的10个国家的天文学家提议建造新一代无线电“大望远镜”。他们希望在全球电信号环境恶化到无法控制的程度之前获得更多的无线电信号。构建FAST的动机从这里开始。

中国天文学家根据国际环境和中国独特的地理条件,提出了在贵州喀斯特洼地建设大口径球形射电望远镜的建议和工程计划中国科学院国家天文台副研究员岳有龄告诉记者《中国科学报》。

1994年6月,FAST选址工作开始,FAST首席科学家兼总工程师石成南任栋和他的同事们开始了十多年的前期研究工作。为了找到最合适的建筑位置,项目组成员通过卫星获取并分析了数千个洼地的数字地形模型(DTM)地图。由于没有道路,脚印覆盖了数百个摇篮和坑洼。这是一个比预期更难实施的大项目。选择一个好的地点需要考虑许多因素,包括坑的质地、地形、气候、无线电波环境、当地人口、周围环境等。最后,将贵州省平塘县的FAST站点确定为“大窝塘”,这是综合因素的最优解。

2005年11月,中国科学院召开院长办公会议,听取各种“十一五”重大科学项目的申报报告。南任栋申请了一个快速发展项目,并在会上获得批准。2007年7月,国家发展和改革委员会批准了快速工程的正式设立,并开始了为期九年的设计和施工。

FAST的设计目标是将覆盖30个足球场的信号收集到几厘米的空间中。只有这样,宇宙中微弱的无线电信号才能被监控。500米的结构、框架、电缆网、接收器、各部分的位移必须控制在毫米级,FAST才能正常工作,这是天文学家以前从未做过的。

100米口径接近全移动射电望远镜的极限。世界上没有建造如此巨大的射电望远镜的先例,500米口径的结构达到毫米精度是前所未有的。在选址、有源反射镜设计、馈源支撑系统优化、馈源与接收机优化、测控技术等方面,许多技术只能通过我们自己的研究来解决。

“超级工程”突破了技术难题

FAST是世界上唯一一台完全用变形反射面工作的射电望远镜。500米反射面板中的300米区域被实时转换成抛物面,从而接收来自不同方向的电磁波。FAST可以通过2200多根较低的电缆移动。在FAST的生命周期中,每根下电缆必须重复拉伸至少几十万次,这就要求下电缆具有极高的质量。

岳有龄说:“项目要解决的问题是钢缆的抗疲劳性。在望远镜的整个生命周期中,钢丝绳必须不断拉伸和收缩,所需钢丝绳的抗疲劳能力必须达到200万倍,超过国家标准。当时,世界上没有一个国家生产这样的钢缆。这个团队做了很多实验,在开始的时候失败了数万次,然后达到了200万次的寿命。这项技术突破填补了国际空白。”

钢缆的成功研发促成了12项自主创新专利的形成。世界上跨度最大、精度最高的索网结构已成功应用于快速工程。

“为了确保望远镜不受电磁干扰,我们对所有电气设备进行了评估和电磁保护。”中国科学院国家天文台高级工程师甘恒谦(Gan Hengqian)向记者解释说,为了监控钢丝绳和滑轮的安全,应该在六座塔楼的顶部安装一台摄像机,并留出一个窗口让镜头在电磁屏蔽摄像机的同时观察钢丝绳和滑轮的运行情况。“屏蔽玻璃是一种双层玻璃,中间夹着非常薄的金属丝网。它的电线很细,肉眼无法分辨。它满足摄像和电磁屏蔽的要求。最终,用这种屏蔽玻璃生产的相机屏蔽舱屏蔽效果达到80dB,基本达到行业最高水平。”

这种创新的例子在FAST的构建中数不胜数。FAST由六个主要系统组成:有源反射器、馈电支持、测量和控制、接收器和终端、站址和观测基地。每个系统都有许多子系统,每个子系统都有许多设备。科学家花了22年时间独立设计和独立开发绝大多数快速技术。“帮助探索宇宙之谜”南任栋曾经说过,我们探测到的大约2000颗脉冲星都在银河系内。其他星系也一定有脉冲星。所以FAST将瞄准其他星系,发现更远更奇特的脉冲星,并研究它们的物理性质。

FAST还可以观察到中性氢,宇宙中最丰富的元素。所谓中性氢是宇宙中没有聚集成恒星的自由氢原子。通过观察中性氢信号,我们可以知道星系间相互作用的细节,我们也可以发现早期宇宙中刚刚形成的氢是如何运动的,从而为宇宙的演化历史提供线索。

未来,由快速望远镜组成的空间探索和控制网络可以将其控制能力扩展到太阳系的外缘,将深空通信数据的下行速率提高几十倍。脉冲星到达时间测量精度从120纳秒提高到30纳秒,成为世界上最精确的脉冲星计时阵列。

平方公里阵列(SKA)总干事菲利普约翰戴蒙德(Philip John Diamond)曾经说过:“中国为世界天文学界做出了很多贡献。FAST的构建更令人惊叹。它把中国天文学带到了世界第一梯队。”“快速发展”的意义不仅仅限于科学研究的探索和突破,而且对那些在如此庞大的科学项目中成长的人也有很大的影响。甘恒谦说:“人才培养是我们单位的优势。通过参与这个项目,我们的许多学生已经在这台望远镜的调试和维护中发挥了重要作用。”

目前,望远镜处于整体调试阶段。将来,它将能够检查宇宙中的中性氢,探测星际分子,观察脉冲星,并搜索星际通讯信号。天文学一定会有更多的突破。

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