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FAST:当之无愧的世界最灵敏射电望远镜

2019-07-23 11:19:12|来源:科技日报|编辑:薛维萌 |责编:韩东林

  壮丽70年 奋斗新时代

  坐落在贵州省黔南州平塘县克度镇的500米口径球面射电望远镜(FAST)已经落成启用近3年时间了。截止到7月19日,这个世界上最大的射电望远镜已经发现了125颗优质脉冲星候选体,确认了86颗。这标志着还处在设备调试阶段(今年将正式进行国家验收)的FAST已经部分实现了其科学目标,能真正的作为一个实用的望远镜而脚踏实地地开展天文观测工作了。

  完成工程建设后的FAST,便进入了望远镜本身的调试阶段。FAST总工程师、国家天文台研究员姜鹏说:FAST调试难度大,调试工作涉及测量、控制、力学、电子学、天文等多学科领域,具有极大的技术挑战。同时,FAST工作模式显著区别于传统望远镜,没有成熟的经验可供参考。

  当然,令人高兴的是,FAST望远镜现已实现了跟踪、漂移扫描、运动中扫描等多种的天文观测模式,有数项的关键指标超过了预期。

  这曾是一代天文学人的梦想。

  1993年,在国际无线电科学联盟大会上,中国等10个国家的天文学家提出应建造新一代射电“大望远镜”。他们期望,在电波环境被彻底破坏之前,真正看一眼初始的宇宙,弄清宇宙结构是如何形成和演化至今的。

  建造FAST的动机始于此。

  1994年底,北京天文台(现国家天文台)牵头国内20所院校,提出建设“喀斯特工程”。他们从中国西南无数个喀斯特地貌的凹坑中,选中了贵州省平塘县的大窝凼。2011年3月,这个工程(即FAST)正式开工建设。

  射电望远镜同光学望远镜一样,口径越大接收到的电磁波越多,其灵敏度就越高,探测能力就越强。

  FAST望远镜,是把覆盖30个足球场的信号,聚集在药片大小的空间里。借此,FAST能够监听到宇宙中微弱的射电信号。要达到这一目标,500米口径的结构,必须实现毫米级的精度,这是之前的天文学家从未做过的。

  回顾建设历史,姜鹏在接受科技日报记者独家专访时说,在建设过程中,FAST团队逢山开路,遇水搭桥,完全是“摸着石头过河”。“因为我们要突破射电望远镜的百米口径极限,开创建造巨型射电望远镜的新模式。它所面临的技术挑战极多。”

  科研人员要在大窝凼这个凹坑内铺设4000多块单元组成的500米球冠状的主动反射面,球冠的反射面在射电源方向要形成300米口径的瞬时抛物面;使望远镜接收机能与传统抛物面天线一样处在焦点上,要采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现接收机的高精度定位。

  FAST靠拉扯索网来调整“天线”(大锅)。整个索网联系着边框以及2000多个凹坑地表面上的促动器。这些电机协同配合,一致行动,控制着索网的形状。而整个变形(调整天线)过程,是由激光定位系统校准的。

  高悬在大锅上方的一个类似于神舟飞船大小的馈源舱(信号接收单元),重达30吨,内设世界上最精贵的接收器。它被6条400多米的钢索吊起,移动范围达200米,随时接收相当于30个足球场的大锅传来的信号。

  “框架、索网、接收器,每一部分的位移都要控制在毫米级,FAST才能正常工作。”姜鹏说,FAST仅反射面就需要2000多台促动器协同控制,而且索网把所有促动器都连成了一个整体,可以说是“牵一发动全身”。

  令姜鹏感到欣慰的是,经过两年多的紧张调试,FAST的数项性能指标超过预期,在灵敏度、系统噪音、指向精度等关键技术指标上,已经达到了国家验收标准。“可以说,调试后的FAST是当之无愧的世界上最灵敏的射电望远镜,可以帮助人类了解更遥远、更早期的宇宙。”

  2017年10月10日,国家天文台在北京宣布,FAST望远镜发现了6颗新的脉冲星。这是国际上利用中国制造的望远镜首次发现脉冲星,由此开启了中国射电波段大科学装置系统产生原创发现的新时代。

  目前,FAST已经发现的脉冲星候选体超过百颗。FAST工程首席科学家、国家天文台研究员李菂说:“2018年2月,FAST探测到有史以来最暗弱的毫秒脉冲星之一,这颗脉冲星是其他国家很多望远镜看了多次却都没有看到的。这充分证明了FAST在灵敏度方面的优势。”

  FAST的研制和建设,体现了我国自主创新能力,还将推动我国在天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。(李大庆) 

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