世界最大单口径球面望远镜主体育工作程将在竣

日期:2019-09-26编辑作者:科学

世界最大单口径球面望远镜主体工程即将完工

2016年7月3日,直径500米、迄今全球最大的“锅盖”在贵州喀斯特天坑中架设完成。

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由中科院国家天文台主持,正在贵州平塘建设的500米世界最大单口径球面望远镜主体工程即将完工,最后一块反射面单元今天将完成吊装。

它就是500米口径球面射电望远镜,世界上最大和最具威力的单口径射电望远镜。

迄今,基于天文观测而获得的10项诺奖成果中,有6项出自射电望远镜观测。

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它被称为“天眼”,用来倾听宇宙深处声音、观测宇宙奥秘。它到底有多牛?

7月3日,位于贵州黔南州平塘县大窝凼的世界最大单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜的最后一块反射面单元成功吊装,这标志着FAST主体工程顺利完工。这只“观天巨眼”预计于今年9月全部竣工,将开始探索宇宙深处的奥秘。 天眼是500米口径球面射电望远镜的形象说法,不过,射电也是天文学中的独特说法,在其他学科里通常叫做微波和无线电波。射电望远镜的研发和使用是因为探索太空的需要。因为宇宙中有很多电磁波是光学望远镜所探测不到的,这就需要射电望远镜来观测。20世纪,天文学界就已经借助射电望远镜发现了脉冲星、宇宙微波背景辐射等。迄今,基于天文观测而获得的10项诺贝尔奖成果中,有6项出自射电望远镜观测的结果。 宇宙中各种波段的射线、紫外线、各种天体和黑洞等,需要通过各种望远镜以及太空探测器来观测,而各种望远镜主要是进行巡天观测。中国现在建造的FAST除了可以对各种天体、脉冲星、黑洞、星体演化和外星文明进行搜索研究外,还可以通过接收各种波段的光电信号对宇宙进行观测。 这可以从两个方面来完成,一是通过FAST对宇宙各种波段的光电信号进行接收来观测,二是转接人类发射的深空探测器所搜索到的宇宙各种光电信号。因为深空探测器飞离地球越远,它探索和发回地球的信号就会越来越弱,因此需要有强大的地面望远镜来接收这些微弱的信号。 例如,美国的旅行者1号于1977年9月5日发射,它曾到访过木星及土星,是离地球最远和飞行速度最快的人造飞行器,也是真正意义上飞出太阳系的深空探测器,它在木卫一上发现了火山活动,也探测到了土星环的复杂结构。中国的嫦娥二号卫星也创造了中国深空探测最远距离纪录,达到7000万公里。 未来,旅行者1号和嫦娥二号卫星等深空探测器对其他天体,如木星和土星探测的信号就可能有赖于FAST这样的射电望远镜来转接,由此我们才能知道来自其他遥远天体上的信息,如是否有土壤、山川湖海、冰雪、氧气等。 无论是光学望远镜还是射电望远镜,它们都是地球的眼睛。不过,FAST的地球“最大天眼”称号可能保持不了太久,很可能被阵列射电望远镜所取代。SKA目前正在南非台地高原地区和西澳大利亚州默奇森郡沙漠区进行建造,其接收面积达一平方千米,建成后将是世界上最大的综合孔径射电望远镜,也是国际天文界建造的有史以来最大的科学工程。SKA由多国参与修建,在目前SKA公开发布的11个工程中,中国参与了其中6个研发工作。 在我看来,仰望星空不只是一种“诗意的生活”,更是对星空的探索和科学发现,同时要把探索宇宙的研究成果服务于人类社会。也正因此,地球上的FAST、SKA越多,地球之眼越深邃,人类对宇宙的认识就会越深刻、全面。

FAST通过接收宇宙天体的射电信号完成科学任务观测,反射面单元是其重要组成部分。一个30个足球场大小的“观天巨眼”经历二十余年的设计、施工,最终揭开神秘面纱。

绝技一:超大口径 看得贼远

FAST将大大提升我国空间探测能力 首先寻找脉冲星

射电望远镜最重要的指标参数就是灵敏度。灵敏度越高,望远镜探测微弱无线电的能力越强。而要想提高灵敏度,就需要扩大射电望远镜的口径。FAST的口径达到了世界之最———500米。理论上说,FAST能接收到137亿光年以外的电磁信号,这个距离接近于宇宙的边缘。

根据建设规划,FAST将在2016年9月全部建成并初步投入使用,首个应用科学研究是寻找和研究宇宙中的脉冲星。专家介绍,脉冲星就像天体物理实验室,可以研究一些特殊天体物理和宇宙演化现象。如果发现脉冲星与黑洞组成的双星系统,科学家可以利用脉冲星去研究黑洞周围时空。此外,脉冲星也是非常精准的时钟,对于深空探测具有重要意义。

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直径500米全球最大射电望远镜

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(注:500米口径球面射电望远镜,英译Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope,简称FAST)

事实上,脉冲星、类星体、星际有机分子等重要天文发现都与射电望远镜有关。诺贝尔奖历史上明确基于天文观测的10项获奖成果中,有6项出自射电望远镜。此外,500米口径球面射电望远镜的建成使用,可以将我国空间测控能力由月球同步轨道延伸到太阳系边缘,将为我国火星探测等深空研究奠定重要基础。

400年前人类第一架天文望远镜的口径仅有4.2厘米,FAST的口径是它的12000倍。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST的灵敏度提高约10倍;与被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米望远镜相比,其综合性能提高约2.25倍。作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20-30年保持世界一流设备的地位,成为望远镜家族的掌门人。

看过《三体》的人可能都会好奇,这个超级望远镜是否能像小说中所描述的那样,帮助人类尽早地搜寻到地外文明?科学家表示,虽然FAST并不能发射信号给宇宙中或许存在的高等智慧生物,但是它超强的灵敏度却可以将人类搜寻外星文明能力提升到前所未有的高度。

绝技二:灵活自如的超级巨眼

FAST射电望远镜到底有多牛?

根据FAST的工作原理,当它观测天体时,会随着天体的方位变化,在其500米的球冠状主动反射面上实时形成一个300米直径的瞬时抛物面,并通过这个300米的抛物面来汇聚电磁波。

独门绝技一:大口径 看得远

形象地来说,如果把FAST比作一只巨大的眼睛,那么这只巨眼的眼球直径就有500米,而负责接收光线的眼珠直径就有300米。FAST就是靠这个巨大灵活的眼珠来汇聚电磁波、观测深空。

射电望远镜最重要的指标参数就是灵敏度。灵敏度越高,望远镜探测微弱无线电的能力越强。而要想提高灵敏度,就需要扩大射电望远镜的口径。FAST的口径达到了世界之最——500米。理论上说,FAST能接收到137亿光年以外的电磁信号,这个距离接近于宇宙的边缘。

绝技三:毫米精度 贼有准儿

400年前人类第一架天文望远镜的口径仅有4.2厘米,FAST的口径是它的12000倍。与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,FAST的灵敏度提高约10倍;与被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米望远镜相比,其综合性能提高约2.25倍。作为世界最大的单口径望远镜,FAST将在未来20-30年保持世界一流设备的地位,成为望远镜家族的掌门人。

FAST的设计目标,是把覆盖30个足球场的信号,聚集在药片大小的空间里,否则,就无法监听到宇宙中微弱的射电信号。500米的结构,处处都是头发丝般毫米级的精度要求。用来编织索网的7000多根手臂般粗细的钢缆,每一根的加工精度都被控制在一毫米以内;最终的500米口径的天线精度是三个毫米,每一块小面板的制造精度是1.5个毫米。

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绝技四:深空猎手 还能“听”声

独门绝技二:灵活自如的巨眼

首先,FAST能够冲出银河系,寻找新星,特别是快速旋转、密度极高的脉冲星,FAST期望第一年就找到50-80颗银河系外的脉冲星。FAST还可能观察到早期宇宙的蛛丝马迹———中性氢云团的运动,掌握星系之间互动的细节,揭秘宇宙的起源和演化。类似的道理,FAST还能监听到一些太空有机分子发出的独特电磁波,搜索可能的星际通讯信号和外星生命。寻找外星生命是所有望远镜的使命之一,也是科幻爱好者们关注的热点,探索宇宙志在深空,巨大而灵巧的FAST,已经蓄势待发,奇迹与惊喜,就在眼前。

根据FAST的工作原理,当它观测天体时,会随着天体的方位变化,在其500米的球冠状主动反射面上实时形成一个300米直径的瞬时抛物面,并通过这个300米的抛物面来汇聚电磁波。

答疑解惑

形象地来说,如果把FAST比作一只巨大的眼睛,那么这只巨眼的眼球直径就有500米,而负责接收光线的眼珠直径就有300米。FAST就是靠这个巨大灵活的眼珠来汇聚电磁波、观测深空。

这个大家伙用来做什么?

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根据建设规划,FAST将在2016年9月全部建成并初步投入使用,首个应用科学研究是寻找和研究宇宙中的脉冲星。

FAST的设计目标,是把覆盖30个足球场的信号,聚集在药片大小的空间里,否则,就无法监听到宇宙中微弱的射电信号。500米的结构,处处都是头发丝般毫米级的精度要求。用来编织索网的7000多根手臂般粗细的钢缆,每一根的加工精度都被控制在一毫米以内;最终的500米口径的天线精度是三个毫米,每一块小面板的制造精度是1.5个毫米。

专家介绍,脉冲星就像天体物理实验室,可以研究一些特殊天体物理和宇宙演化现象。如果发现脉冲星与黑洞组成的双星系统,科学家可以利用脉冲星去研究黑洞周围时空。此外,脉冲星也是非常精准的时钟,对于深空探测具有重要意义。

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能用它去寻找外星人吗?

首先,FAST能够冲出银河系,寻找新星,特别是快速旋转、密度极高的脉冲星,FAST期望第一年就找到50-80颗银河系外的脉冲星。FAST还可能观察到早期宇宙的蛛丝马迹——中性氢云团的运动,掌握星系之间互动的细节,揭秘宇宙的起源和演化。类似的道理,FAST还能监听到一些太空有机分子发出的独特电磁波,搜索可能的星际通讯信号和外星生命。寻找外星生命是所有望远镜的使命之一,也是科幻爱好者们关注的热点,探索宇宙志在深空,巨大而灵巧的FAST,已经蓄势待发,奇迹与惊喜,就在眼前。

看过《三体》的人可能都会好奇,这个超级望远镜是否能像小说中所描述的那样,帮助人类尽早地搜寻到地外文明?科学家表示,虽然FAST并不能发射信号给宇宙中或许存在的高等智慧生物,但是它超强的灵敏度却可以将人类搜寻外星文明能力提升到前所未有的高度。

观天巨眼——天文望远镜的前世今生

事实上,脉冲星、类星体、星际有机分子等重要天文发现都与射电望远镜有关。

天文望远镜就好像是一个个观天巨眼,帮助我们观测宇宙星空,探索世界奥秘。

诺贝尔奖历史上明确基于天文观测的10项获奖成果中,有6项出自射电望远镜。

四百年前首架望远镜问世

此外,500米口径球面射电望远镜的建成使用,可以将我国空间测控能力由月球同步轨道延伸到太阳系边缘,将为我国火星探测等深空研究奠定重要基础。本组稿件综合新华社、央视等

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“从技术到材料,基本上都是国产化,既是中国制造, 更是中国创造。 ”FAST工程总工艺师王启明说,中国大射电望远镜创造了很多奇迹,更体现了我国自主创新能力。

四百年前,历史上第一架天文望远镜在欧洲问世,这是天文学史上划时代的创举。这架望远镜的口径为4.2厘米,长约1.2米,聚光能力能达到肉眼的一百倍左右。利用这架光学望远镜,伽利略观测了月球环形山、太阳黑子、木星的卫星等,获得一系列重大发现,打开了人类认识和探索宇宙的窗口。

在过去四百多年中,望远镜的制造技术有了突飞猛进的发展,光学镜片的口径最大已经达到了10米,比世界上第一台望远镜大了数万倍,集光能力随着口径的增大而增强,能够探测到更远更暗的天体。1990年,美国把哈勃望远镜发射到了太空,帮助人们首次窥探到宇宙深处的星系面貌,引领了天体物理研究的前沿。

无线电技术发展 射电望远镜脱颖而出

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第二次世界大战以后,伴随着无线电技术的进步,射电望远镜脱颖而出。1963年美国在波多黎各建造了直径达305米的射电望远镜,顺着山坡固定在地表,是目前世界上最大的单孔径射电望远镜。1962年世界上首个综合孔径射电望远镜阵列建成,多个小望远镜组合起来获得相当于大口径单天线的集光能力,是望远镜发展史上的一个重大事件,发明人因该项技术获得了1974年诺贝尔奖。

我国射电天文起步相对较晚,经过近半个世纪的发展,已经在绕月探测卫星的精确测定轨中发挥了重要作用。现在,国内大型望远镜的建造也日新月异。2012年上海建成65米口径射电望远镜,综合性能位居世界前列。2011年,世界最大口径的500米球面射电望远镜在贵州开工,预计在今年9月全部建成并投入使用,将成为最灵敏的观天巨眼。

美国阿雷西博射电望远镜位于波多黎各岛上的一座天然火山口当中,是目前世界上已建成的、最大单口径球面射电望远镜。其反射面口径为350米。波多黎各岛位于赤道附近,这个位置对于跟踪和观测行星、脉冲星和其他天体十分理想。

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阿塔卡玛大型毫米波天线阵

阿塔卡玛大型毫米波天线阵位于智利北部的查南托高原,由64面口径为12米的射电天线组成,是多个国家的研究机构合作建造的大型射电望远镜阵列。这里海拔五千多米,是地球上气候最干燥的地区之一,非常适合毫米波天文观测。

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澳大利亚平方公里阵列射电望远镜

澳大利亚平方公里阵列射电望远镜位于澳大利亚的默奇森地区,由36架碟形天线组成,每架天线的直径为12米,该望远镜阵列造价6500万英镑。这一区域没有其他无线电信号干扰,可以清楚地接收到来自宇宙的信号。

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中国上海佘山65米口径射电望远镜

中国上海佘山65米口径射电望远镜,是目前亚洲最大的可转射电望远镜,其主反射面面积达到了3780平方米,综合性能为亚洲第一、世界第四。它可以观测到100多亿光年以外的天体,在我国的嫦娥探月工程、火星探测等一系列重要的深空探测任务中都有它的身影。

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虽然射电望远镜的发展越来越快,但是光学望远镜的作用依然不可替代。最早的空间望远镜是哈勃望远镜,1990年由美国航天飞机送上太空,以2.8万公里的时速沿轨道运行。哈勃望远镜长13.3米,直径4.3米,清晰度是地基望远镜的10倍以上。作为天文史上最重要的仪器之一,哈勃望远镜已经在探测黑洞、暗物质和恒星演变等方面发挥重大作用。

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在地基天文望远镜中,光谱获取率最高的是我国自主设计建造的郭守敬望远镜。该望远镜坐落在中科院国家天文台兴隆观测站,2008年建成。首次在国际上采用多镜片拼接主动调节的方式,可同时获得4000个天体的光谱,使我国光谱巡天技术真正走到了世界前列。

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最大单口径射电望远镜反射面板安装将完成

世界最大单口径射电望远镜主体工程已完工

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