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這就是中國優勢 | 科技優勢(八)中國天眼:單口徑射電望遠鏡的終結者

華夏經緯網 > 新聞 > 熱點聚焦      2022-07-28 14:00:14

這就是中國優勢?科技優勢

【導語】“可上九天攬月,可下五洋捉鱉,談笑凱歌還。”這是一種豪情與詩意,也是當今中國正創造的奇跡。中國人對未知的好奇、對探索的渴望、對困境的思考以及對美好未來的期待,推開了一扇扇嶄新世界的大門:空間探測、生物醫藥、人工智慧、量子科學……中國科技創新的步伐從未停止。正如習近平總書記所説,一切偉大成就都是持續奮鬥的結果,一切偉大事業都需要在繼往開來中推進。新時代必將是大有可為的時代。


“如果存在外星人的話,那麼現在只有中國能夠提前警告外星艦隊的入侵”,這全靠被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡(簡稱FAST)。在美國阿雷西博望遠鏡坍塌退出歷史舞臺後,中國天眼FAST便成了成為全球連接星際銀河的重要橋梁。

作為目前全球唯一的“天眼”,中國FAST直徑長達500米,繞著它走一圈要半個小時;它的反射面積有25萬平方米,相當於30個足球場的大小;如果把它盛滿水,全世界每個人可以分到4瓶;它的靈敏度是世界上排名第二的美國阿雷西博望遠鏡的3倍左右,巡天速度是它的10倍以上,綜合性能領先全世界20到30年;它的觀測距離超過137億光年,讓人類在地球上就能夠遙聽來自宇宙深處的聲音。

2020年1月11日,被譽為中國天眼的500米口徑球面射電望遠鏡通過驗收,正式開放運作。(圖源:新華社)

2020年1月11日,被譽為中國天眼的500米口徑球面射電望遠鏡通過驗收,正式開放運作。(圖源:新華社)


中國天眼讓人類看得更遠

浩瀚星空,廣袤蒼穹,自古以來寄託著人類的科學憧憬。天文學是孕育重大原創發現的前沿科學,也是推動科技進步和創新的戰略制高點。

1994年,500米口徑射電望遠鏡的構想,由中國天文學家南仁東提出後,歷經論證、立項、選址以及艱苦建設,于2016年9月25日落成啟用,進入調試期。2020年1月11日,中國天眼FAST通過國家驗收正式開放運作,是具有中國自主智慧財産權、目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡。

“天眼”工程由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。(圖源:新華社)

“天眼”工程由主動反射面系統、饋源支撐系統、測量與控制系統、接收機與終端及觀測基地等幾大部分構成。(圖源:新華社)

建設中國天眼FAST的挑戰很多很大,中國天文學家們發揮了智慧的腦力激蕩與自主創新,讓這些挑戰最終都迎刃而解。其中了不起的技術創新有許多項,例如材料的創新與巧妙運用輕型索支撐饋源系統,將萬噸級的饋源平臺減重到數十噸級,方便靈敏度高出世界第二大望遠鏡的2.5倍以上,可以用同樣解析度看到其6.25倍以上遠的視界。

對於FAST這口“大鍋”不只中國關注,世界各國都在看。英國《每日電訊報》提到“中國開啟了世界最大的望遠鏡”,它的500米口徑,讓此前最大紀錄保持者,位於波多黎各的300米口徑阿雷西博望遠鏡相形見絀。日本專業太空網站sorae認為,對望遠鏡而言規模就是能力,因此中國天眼具有強大的觀測能力,能搜尋那些只有微弱信號的脈衝星。美國有線電視新聞網稱,中國最大的天文望遠鏡將開始搜尋外星人!英國《衛報》則説,中國“未來可能的發現甚至會超出我們最瘋狂的想像”。


中國天眼的正確打開方式

工作人員在中國天眼總控室內工作。(圖源:新華社)

工作人員在中國天眼總控室內工作。(圖源:新華社)

射電望遠鏡、大窩凼、反射板、索網……這些原本互不關聯的名詞,因為中國天眼FAST而組合在一起,共同解讀著它的妙不可言。

中國天眼FAST這口“鍋”的大,大得有道理。只要“鍋”越大,接收信號就越多,靈敏度就越高。就像下雨時,盆子越大,接住的水就越多。科學家打過比方,以FAST的靈敏度,即便有人在月亮上打手機,也能被“看見”。

FAST“鍋邊”是一圈直徑約500米、高5.5米、寬11米的環梁,由50個承臺支撐。考慮到熱脹冷縮,設計者巧妙地讓支座實現滑移。“鍋面”較為特殊,先要“編織”由6670根主索組成的網,再將4450塊邊長在10.4米至12.4米、重在427至482.5公斤、厚約1.3毫米鋁制反射面單元,依次安裝在索網上面。縱橫交錯的索網可以實現對反射面板的調姿,最終形成300米口徑的暫態拋物面。“鍋底”更為有趣,饋源艙停靠平臺位於主動反射面中心底部,重約30噸的饋源艙則均勻分佈在“鍋”周圍的6個支撐塔的作用下,懸挂在距地面80米處。

FAST望遠鏡的日常體檢。(圖源:新華社)

FAST望遠鏡的日常體檢。(圖源:新華社)

在FAST提出的“科學目標功能表”上,排在首位的是巡視宇宙的中性氫。中性氫是指宇宙中未聚攏成恒星發光發熱的氫原子,觀測中性氫信號,能夠獲知星系之間互動的細節,還能推算宇宙發育的蛛絲馬跡。另一道值得期待的“主菜”是觀測脈衝星。脈衝星是大品質恒星演化的最終産物,目前已觀測到的約2000顆脈衝星均在銀河系內,FAST將對準銀河系外。而隨著“鍋”的主體完工,科學家們將邊調試、邊收集“食材”。面對紛紜世界,他們還需過濾“雜質”,潛心運維,方能烹出一鍋薈萃。


中國天眼進入成果爆發期

7月24日,星空下的中國天眼(維護保養期間拍攝,長時間曝光照片)。 (圖源:新華社)

7月24日,星空下的中國天眼(維護保養期間拍攝,長時間曝光照片)。 (圖源:新華社)

近年來,中國天眼FAST運作效率和品質不斷提高,年觀測時長超過5300小時,已遠超國際同行預期的工作效率,為其科學産出起到重要支撐作用。而中國天眼的觀測研究結果,也在用實際成果説明:中國的天文學家可以憑藉FAST望遠鏡高超的性能,做出世界一流的研究成果。

——已發現660余顆新脈衝星

自2017年10月10日首次對外宣佈發現脈衝星以來,截至2022年7月22日,中國天眼已發現660余顆新脈衝星。

脈衝星就是旋轉的中子星,因不斷地發出電磁脈衝信號而得名,其密度每立方釐米相當於1萬艘萬噸巨輪的品質壓縮起來。從脈衝星中遴選出脈衝信號穩定的毫秒脈衝星,將來有望應用於星際導航。舉例來説,如果要走到火星甚或走出太陽系、銀河系,根本無法用地球上的GPS去導航,但如果能知道宇宙中很多脈衝星的位置,就可以通過它來定位導航。

科學家利用中國天眼開啟脈衝星深度研究(圖源:新華社)

科學家利用中國天眼開啟脈衝星深度研究(圖源:新華社)

——發現地外文明可疑信號

北京師範大學天文係的張同傑教授近日透露,其研究團隊使用中國天眼發現了幾例來自地球之外可能的技術痕跡和地外文明候選信號。這是幾個不同於以往的窄帶電磁信號,目前團隊正在排查中。張同傑提到,2020年,團隊處理中國天眼2019年的共時巡天觀測數據時,就發現了兩組地外文明可疑訊號;2022年,團隊又從係外行星目標觀測數據中發現可疑訊號,“可疑訊號是某種射電干擾的可能性也非常大,都有待進一步證實和排除,這可能是一個漫長的過程”。

——發現首例持續活躍快速射電暴

中國科學院國家天文臺李菂研究員領導的國際合作團隊,通過中國天眼FAST發現了迄今為止唯一一例持續活躍的重復快速射電暴FRB 20190520B,並將其定位於一個距離我們30億光年的矮星系。這一發現對於更好理解快速射電暴這一宇宙神秘現象具有重要意義。

快速射電暴是宇宙中最明亮的射電爆發現象,在1毫秒的時間內能釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。2007年,它才在全球範圍內被首次確定存在。此次中國天眼的發現中,“每小時約有3到4次爆炸,一次爆炸普遍持續千分之幾秒”。

7月25日,夜空下的中國天眼(維護保養期間拍攝,長時間曝光照片)。(圖源:新華社)

7月25日,夜空下的中國天眼(維護保養期間拍攝,長時間曝光照片)。(圖源:新華社)

中國天眼用了不到兩公里地鐵的成本,建設了一個世人矚目的超級工程。如今,中國天眼已向國際學術交流開放,並將面向全國中小學生開放1%的觀測時間進行科普教育。中國科學院院士武向平此前透露,中國還將建設另外5台500米口徑射電望遠鏡,與FAST組成一個巨大陣列,“將領先世界50年”。


(資料來源:中國科學院、新華社、央視新聞、中新網、科技日報)



責任編輯:姚思寒
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