从困难重重到创造奇迹 历数FAST五年半建设之路

点子 09-21 阅读: 评论:
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千百年来,人类都是通过可见光去观测宇宙和天体,通过光学望远镜,人们发现了银河系,了解到月球表面并不光滑等等。

哈勃望远镜的出现使人类对宇宙的观测更加深入,之前认为是荒芜的地方发现了很多星系。这时,人类才反应过来,原来宇宙是由不同的星系组成的。

通过对宇宙的观测,人类了解到宇宙是在不断膨胀的,这引发暗能量存在的假设,这一系列辉煌的成就都是因为光学望远镜的存在。

用光学望远镜观测宇宙,有几个比较巧的现象。一是人类的传感器“眼睛”刚好在可见光波段具有感知能力;二是太阳这类恒量天体在可见光波段发出的能量比较强;三是厚厚的大气层在这个波段是透明的。

所以我们好像是理所应当的应该用光学望远镜来观测,但其实厚厚的大气层还隐藏着另外的波段:无线电窗口,但人类不具备这个波段的感知能力,这一波段主要靠射电望远镜来观测。

偶然的机会 人类发明了射电望远镜

既然人类不具备这个波段的感知能力,那么人类是如何发现这个波段的呢?比较有意思,Karl Jansky既不是天文学家也不是天文爱好者,却在偶热的机会发现了这一波段。

当时有线电话刚刚开始推广,经常会受到信号干扰,于是贝尔实验室就委托他去查明原因。

Karl Jansky 建造了一台天线,通过长时间的观测,他发现干扰来源是雷暴天气,同时他又发现了一个非常稳定但又比较弱的干扰信号,24小时一个周期,每天到达的时间都非常固定:比前一天提前4分钟。

经过一年的观测,他猜测这个信号源自银河系中心,他把这些研究成果整理发表在了美国的一本无线电工程学报上面,这本来是一个领域的开篇之作,却就这样发表了,从这里也能看出,Karl Jansky是一个对天文没多少兴趣的人。

后来,另一位雷达工程师雷柏,在大学的时候看到了Karl Jansky的研究成果,认为非常有意思,便自掏腰包在家里后花园设计出了第一台真正意义上的射电望远镜,用现在的眼光去看,这台射电望远镜堪称完美,今天所有的射电望远镜都没脱离这个框架。

通过长时间的观测,雷柏印证了Karl Jansky的研究结论,这个干扰信号确实来自于银河系中心,不过大家并没有忘记Karl Jansky的贡献,还是尊他为射电天文学的鼻祖。

综合口径技术让射电望远镜 “如虎添翼”

射电天文学刚出现的时候,并没有得到大家的关注,其核心的原因是,它在分辨率上天生有缺陷。

衡量一台望远镜的好坏主要有两个指标,一个是灵敏度,一个是分辨率。直到M.Ryle发明了综合口径的技术,其基本原理是:用相隔两地的两架射电望远镜接收同一天体的无线电波,两束波进行干涉,其等效分辨率最高可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜,因为此项发明,他获得1974年诺贝尔物理学奖。

自此,射电望远镜的分辨能力得到大大提高,分辨率甚至比光学望远镜还要高,今年首张黑洞照片问世,背后所利用的技术就是综合口径技术。

自此,射电天文就得到蓬勃发展。1957年,英国人已经把望远镜口径做到76米,1961年,人类在南半球建造了第一台射电望远镜,迄今发现的近三千颗脉冲星中,一半都是这台望远镜发现的。2000年,美国建造了口径为100米的望远镜。

从雷柏创建的第一台直到现在,射电望远镜的发展历史其实就是人类追寻灵敏度的历史。口径越大,观测的灵敏度就越高。只有这样,人类才能观测到更遥远的宇宙星系,有助于科学家分析宇宙的演化历史。

但自从1972年德国人把口径做到100米以后,射电望远镜的口径便停滞不前,这也表明,在材料的制作工艺没有得到跳跃式发展前,很难突破百米口径。

难道百米口径是个极限吗?我们真的无法突破这个极限吗?1962年,美国的大耳朵望远镜进行了尝试,但并未成功。

怎么才能建造更大的射电望远镜

在机缘巧合下,科学家发现了建设500米口径球面射电望远镜(以下简称为FAST)的理论基础:抛物面与球面的机缘巧合。抛物面的结构特性能把平行光汇聚到一个点上,所以传统的射电望远镜都做成抛物面,那么球面和抛物面大概有多大的区别呢?之前人们并没有思考过这个问题,上个世纪90年代,中国的科学家就计算了下,一个300米的抛面,只要选择合适的焦比,它的球面和抛物面的偏离距离只有0.47米,这0.47米就是FAST的基石,如果这个距离是4.7米或47米,就不会有FAST了。

有了这个发现之后,一个概念就应运而生:我们先建一个基准球面,半径是300米,口径是500米,然后在表面放上微小的驱动装置,只需要微微的改变反射面的形状(0.47米),就可以形成一个抛面,就可以把平行光汇聚到一个点上了。

然后将接收机以正确的姿态放到焦点的位置上来接收信号就可以了,这就是FAST的基本原理,并没有想象中的复杂,但要想把这个望远镜成为现实的话,至少有三件事情要做。

建设FAST,需要做好三件事

第一:要找个合适的“眼窝”:台址。如果是平地挖出这么大个坑的话,可能就需要几十亿人民币,远比建一台望远镜花费十几亿人民币还要多,所以一个天然的洼地是必不可少的;

要有一个优良的电磁波环境,人要非常少,人并非是干扰源,但是人们日常生活所用的电器手机等,是电磁波干扰的主要来源;另外,排水要好,不能有积水,一旦积水的话,望远镜的电子设备使用寿命会受到影响;最后,基础要足够稳,不能有沉降,这是建设大型精密设备非常必要的条件。

第二:主动反射面方案的取舍。经过反复研究,大家建议能不能采用柔性索网的方法来进行建设,这样通过改变形状就能完成球面与抛物面的转换。但是索网是挂在周围的山体上,还是单独建一个环梁结构?是采用三角形划分网格还是采用四边形来划分?控制锁是采用一根还是三根?这些都是我们需要思考的问题。

现在大家去看FAST,可能会觉得FAST就应该这么建设,但是在建设之初,这里面经过很多很多的变化,都是经过大量设计、演算才得出来的,有很多的奇思妙想不为人知。

第三:如何实现馈源的高精度定位。如何对接收机进行高精度的定位,这是建设初期必须要解决的问题。科学家用6根钢索连接着馈源舱,通过钢索来控制馈源舱的位置,要实现什么样的精度呢?一个30吨的馈源舱,通过6根钢索,在140米的高空,在206米的尺度范围内,控制在10毫米以内。

我是做工程出身的,一开始我认为这根本不可能实现,但科学家太聪明了,通过在舱内加入一个AB转台,Stewart 平台就非常巧妙地实现了馈源舱的精准控制。

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