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admin 4个月前 (06-28) 科技 90 1

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“中国天眼”是什么?“中国天眼”有多大?它能看多远?现在发现了若干颗脉冲星?意义是什么?FAST总工程师姜鹏撰文,逐一为你解答!

2021年3月31日,“中国天眼”(FAST)正式向全球天文学家开放。“中国天眼”是什么?它是我国具有自主知识产权、用于探索宇宙的单口径球面射电望远镜。有了它,可以推动对宇宙深空的领会与探测,为天文学的生长提供新的可能。

图片划分为延时拍摄的FAST上空的星轨,以及建于贵州大窝凼洼地的FAST。中国科学院国家天文台供图 制图:赵�迫�

“中国天眼”有多大?它口径500米,发射面积相当于30个尺度足球场那么大。若是在内里倒满矿泉水,全天下70亿人平均每人可分4瓶。它能看多远?能看破130多亿光年的区域,靠近宇宙边缘。现在,“中国天眼”是天下上最大的也是最敏捷的单口径射电望远镜。

借鉴抛物面天线原理

从地球聆听来自宇宙的信号

“中国天眼”的学名是500米口径射电望远镜。差异于常见的通过可见光举行考察的光学望远镜,射电望远镜通过吸收宇宙中不能见的无线电波来“考察”宇宙。我们上方厚厚的大气层有两个“窗口”: 一个是可见光窗口,千百年来人类都是通过这个窗口考察宇宙的;一个是无线电窗口,上世纪30年月,无线电天文学先驱卡尔・央斯基有时发现了来自银河系中央的信号,射电天文学的大幕由此拉开,推悦耳类熟悉宇宙起源、生命起源。

“中国天眼”是当今射电天文学的“重器”。其基本原理是什么呢?我们都知道,平行电磁波遇到抛物面反射后会汇聚到焦点的位置。对射电望远镜来说,把反射面做成抛物面的形状,然后在焦点位置放置一台吸收机,就可以搜集天体发出的电磁波信号,从而举行天文考察。抛物面的面积越大,搜集的信号就越多,也就越能探测到更暗弱、更遥远的天体。以是,自卡尔・央斯基意外发现射电天文考察窗口之后,各国天文学家就一直致力于制作反射面尽可能大的巨型射电望远镜。

与此同时,随同人类对无线电的大规模使用,发生了越来越多的无线电波,滋扰了人类对太空信号的吸收。在1993年国际无线电大会上,包罗中国在内的多个国家提出倡议,希望在地球电磁波环境被损坏之前,制作出超大口径的射电望远镜。次年,以南仁东先生为代表的中国科学家最先“中国天眼”的探索,开启了“把不能能酿成可能”的征途。

难度大、突破多

“中国天眼”在敏捷度上占有制高点

到底能建口径多大的望远镜,取决于最终找到多大的洼地。相宜的洼地异常难找,由于它要同时相符四大条件。首先要足够大、足够圆,否则只是开挖和支护成本就会让这个项目无法实现;其次,要远离人口麋集区域,这样才气保证优良的电波环境;再次,不能积水,否则装备寿命难以保证;最后,还要有优良的地质条件,否则无法建成大型、高精度的天文考察装备。

从1994年到2006年,南仁东率领团队,从8000多幅舆图中选出300多个洼坑,再进一步将局限缩小至几十个。团队险些走遍这些洼地,现场踏勘,风餐露宿。最终,将台址定在贵州平塘县克度镇的大窝凼洼地。

台址确定后,若何设计、若何实现、建成之后若何调试和使用,都没有现成履历可以借鉴:要害手艺无先例可循、要害质料需重新研制。

“中国天眼”设计差异于天下上已有的单口径射电望远镜,这首先体现在“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”指反射面;“瞳孔”指馈源舱,即放置吸收宇宙外信号装置系统的舱体。

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作为天下首创,“中国天眼”的“视网膜”是自动反射面,可以改变形状,一会儿是球面,一会儿是抛物面。详细来说,这张重大的可动的“视网膜”是一张由6670根钢索体例的索网,挂在一个由50根伟大钢柱支持的直径500米的圈梁上;索网上铺有4450块、380多种反射面单元;索网下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被牢固在地面上的作动器上,通过操作作动器,拉动下拉索来改变索网形状,从而对天文信号举行网络和考察。

“中国天眼”的“瞳孔”即馈源舱,也是一个勇敢的突破性设计。大多数传统射电望远镜的“瞳孔”位置是牢固的,或仅可以微调。“中国天眼”则完全差异,接纳的是全新的轻型索驱动控制系统,这让“中国天眼”的“瞳孔”可以自若改变角度和位置,更有用地网络、跟踪、监测更厚实的宇宙电磁波。

从体量来说,原天下第一大射电望远镜的馈源舱重1000多吨,“中国天眼”馈源舱重仅约30吨。体积小带来多方面的优势,好比可有用削减光路遮挡、削减滋扰信号,从而让波束异常清洁,更有利于天文考察。

“中国天眼”在设计上的突破创新,为“从图纸到现实”的制造带来伟大挑战。而应对挑战的历程,也正是国产精准制造不停缔造事业的历程。好比,要实现反射面(即索网)可改变形状这个天下首创设计,要求组成索网的钢索像弹簧一样有一定伸缩性,疲劳强度是现有尺度的两倍多,国际上未有先例;还要求每根钢索的加工精度要到达1毫米,把传统尺度提升了一个数目级。

两年来,科学家们延续全方位地改善索体工艺,一根钢索要举行200万次疲劳实验。履历了近百次的失败后,最终乐成解决了这个要害问题,实现了3项天下创举:超大跨度、超高精度、自动变位式的索网结构。

建设完成之后,“中国天眼”进入调试阶段。巨型望远镜调试涉及天文、丈量、控制、电子学、机械、结构等众多学科,是强交织学科的应用性研究,国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。“中国天眼”开创了新模式,其调试事情也更具挑战性。

停止现在,已经实现跟踪、漂移、运动扫描、编织扫描等,提前完乐成能性调试。在性能调试方面,“中国天眼”直径500米,却要实现毫米级的精度,难度相当大。当前,望远镜丈量基准网的精度已提升至1毫米以内,其中,敏捷度水平是天下第二大望远镜的2.5倍,这是中国制作的望远镜第一次在敏捷度这个参数上占有制高点。另外,19波束已经完成安装,其意义也异常重大:可将望远镜视场扩大至原来的19倍,大幅提升望远镜的巡天效率。

“中国天眼”专利手艺被运用于多个领域

延续孵化科学新功效

“中国天眼”团队敢想敢做,难度大、挑战大,其设计、制作的历程既是攻坚克难的历程,也是创新性功效相继发生的历程。许多具有我国自主知识产权的专利手艺相继降生并获得应用。好比,超高疲劳性能钢索结构被应用于大型体育场馆,高精度索结构生产系统被应用于港珠澳大桥等建设。

在整个制造、安装历程中还发生了许多国家级、省级工法。好比,在为“中国天眼”铺设“视网膜”历程中,4450块反射单元、6670根钢索、上万个枢纽轴承,都是工人们在几十米高空一块块、一根根、一个个拼装完成的,容错率为零。这些庞大工法将有助于未来大型庞大项目的精准制作。

可以说,“中国天眼”是一个现代工程事业,它凝聚了20多个科研机构、上百名科研职员的心血,汇聚了几千名一线工人的汗水。制作条件艰辛,许多人在现场事情几天,身上就会起满红疙瘩。湿润、阴冷的工棚没有空调或暖气,每小我私人的被子湿润得快要挤出水来。常有人说,只有中国才气做成“天眼”,我想,做成“天眼”所依赖的,就是这种永不言弃、众志成城的精神。

2017年10月,“中国天眼”首批科学功效公诸于世。现在,基于“中国天眼”数据揭晓的高水平论文已有70余篇;所发现的脉冲星数目已跨越300颗,是统一时期国际上所有其它望远镜发现数目总和的3倍。为什么发现脉冲星至关主要?脉冲星是正在快速旋转的中子星,密度极高,每立方厘米重达上亿吨。它自身如灯塔一样平常散射光泽,时时刻刻地扫描着宇宙;它自转速率很快、自转周期正确,堪称宇宙中最正确的时钟。因此,掌握脉冲星,有利于确立“宇宙导航系统”,有助于人类在未来实现星际旅行的梦想。

接下来,“中国天眼”将进一步在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿偏向加大探索,增强海内外开放共享,推动重大功效产出,勇攀天下科技岑岭。我们青年一代科学家也将起劲“用”好凝聚了中国4代科学家心血的“天眼”,发生更多科研功效,推悦耳类对宇宙的探索和认知。

泉源:人民日报、人民网

编辑:刘义阳

审核:朱丽

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