中国“天眼” 志在深空

2016-07-04 09:09:30 来源:新华社 责任编辑:王艳荣
7月3日,直径500米、迄今全球最大的“锅盖”在贵州喀斯特洼坑中架设完成。随着FAST工程总经理、中科院国家天文台台长严俊一声令下,最后一块反射面单元缓缓起吊,在完成了二次空中转接并用缆索吊下滑到指定位置后,被顺利安装在索网上。

    直径500米世界最大单口径射电望远镜FAST主体工程完工

    ■2016年7月3日,直径500米、迄今全球最大最强的“锅盖”在贵州喀斯特洼坑中架设完成。

    ■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。

    ■它被称为“天眼”,用来倾听宇宙深处声音,探索宇宙起源和演化、星系与银河系的演化等等,甚至可以搜索星际通讯信号,开展对地外文明的探索。

    ■它拥有30个足球场大的接收面积,它将在未来10至20年保持世界一流设备的地位。

    全球最大“锅盖”啥样?

    ——30个足球场面积的反射面由一块块反射面单元逐渐铺设完成,4450个反射单元拼出全球最大最强“天眼”。

    7月3日,直径500米、迄今全球最大的“锅盖”在贵州喀斯特洼坑中架设完成。记者在FAST工程大窝凼台址现场看到,随着FAST工程总经理、中科院国家天文台台长严俊一声令下,最后一块反射面单元缓缓起吊,在完成了二次空中转接并用缆索吊下滑到指定位置后,被顺利安装在索网上。

    中科院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明介绍,4450块反射面板单元是FAST望远镜的重要组成部分。2015年8月,FAST反射面单元吊装工程开始施工。经过11个月的艰苦奋斗,在克服了大尺度、高精度的拼装施工难点以及跨度大、位置高等吊装施工难题后,30个足球场面积的反射面由一块块反射面单元逐渐铺设完成。

    自2011年3月正式开工建设以来,FAST工程已完成了圈梁钢结构安装、索网制造与安装、馈源塔制造与安装、馈源舱安装调试、综合布线工程等建设过程。

    据介绍,FAST突破了射电望远镜的百米极限,它拥有30个足球场大的接收面积,与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍。它将在未来10至20年保持世界一流设备的地位。

    中科院国家天文台副台长郑晓年表示,FAST建成后将成为中国天文学研究的“利器”。它将可能搜寻到更多的奇异天体,用来观测脉冲星,探索宇宙起源和演化、星系与银河系的演化等等,甚至可以搜索星际通讯信号,开展对地外文明的探索。

    为什么在贵州喀斯特洼坑?

    ——贵州天然喀斯特洼坑提供的条件,始终都是中国大射电望远镜最独到、成为世界最大最强的基础。

    用过“锅盖天线”的人知道,锅盖口径越大,电视画面也越清晰。对于射电望远镜来说,口径越大看得越远。全世界的射电天文学家都追求建造更大口径的“锅盖”,以提高射电望远镜灵敏度。

    “宇宙空间混杂各种辐射,遥远的信号像雷声中的蝉鸣,没有超级灵敏的‘耳朵’,根本就分辨不出来。”中国科学院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程首席科学家、总工程师南仁东说。

    此前,世界上最灵敏的射电望远镜,分别是德国波恩100米口径望远镜和美国阿雷西博300米口径望远镜。前者是可以移动“摇头”的,后者则借助波多黎各岛上的喀斯特洼坑建造。

    1993年国际无线电联大会上,包括中国在内的10国天文学家提出建造新一代射电“大望远镜”的倡议,渴望在电波环境彻底毁坏前,回溯原初宇宙,解答天文学中的众多难题。

    1995年底,北京天文台联合国内20余所大学和研究所,成立了射电“大望远镜”中国推进委员会,提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面,即“阿雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。

    此后,中国科学家们进一步推进喀斯特概念,提出独立研制一台新型的喀斯特单元,即500米口径球面射电望远镜。

    为了给新一代射电“大望远镜”安家,科学家们通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个遍。中科院国家天文台研究员、500米口径球面射电望远镜工程副经理彭勃回忆说,当时天文台委托两家院所进行独立搜寻,从300多个候选洼坑中遴选。结果,位于黔南州平塘县的大窝凼两次都获最高分。

    贵州天然喀斯特洼坑提供的条件,始终都是中国大射电望远镜最独到、成为世界最大最强的基础。

    “全球最强”强在哪?

    ——300米口径的美国阿雷西博望远镜,50多年一直无人超越,中国大射电望远镜跟它相比,综合性能提高约10倍。

    大射电望远镜绝不是金属堆砌的“傻大粗”,它是最精密的天文仪器。由于采用光机电一体化的馈源平台,加之馈源舱内的并联机器人二次调整,它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,可实现毫米级指向跟踪,确保精确地聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。

    大射电望远镜的建造工艺也是精益求精。中科院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明说,由于严苛要求,这个大科学工程推动了多领域装备制造能力的提升:

    ——主动反射面的索网具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征,其500兆帕的超高应力幅,是国家标准的2.5倍;

    ——帮助反射面变位的2000多个液压促动器通过伸缩实现精确定位、协同运动,还可将自身各项状态信息上报给控制系统,满足实时跟踪、换源等运动要求;

    ——承担着传输各种数据信息使命的动光缆可经受反复弯曲、卷绕和扭转等机械性能和恶劣自然环境考验。

    “我们的最初设计理念源自美国阿雷西博望远镜。但跟阿雷西博相比,主动反射面系统是我们最大的创新。”彭勃说,大射电望远镜的索网结构可以随着天体的移动变化,带动索网上的4450个反射单元,在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面,极大提升观测效率。

    阿雷西博望远镜是固定望远镜,只能通过改变天线馈源的位置扫描天空中的一个约20度的带状区域。而主动反射面让中国大射电望远镜拥有更广的观测范围,能覆盖40度的天顶角。

    大射电望远镜的工作频率比较广。彭勃说,馈源舱内配置了覆盖频率70MHz~3GHz的多波段、多波束馈源和接收机系统。

    中科院国家天文台副台长郑晓年说,100米口径的德国波恩望远镜曾号称“地面最大的机器”,中国大射电望远镜与它相比,灵敏度提高约10倍。300米口径的美国阿雷西博望远镜,50多年一直无人超越,中国大射电望远镜跟它相比,综合性能提高约10倍。

    能否用于寻找地外文明?

    ——“答案是肯定的”,中国大射电望远镜寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。

    “跟其他射电望远镜一样,中国大射电望远镜最主要的两大科学目标是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星,前者是研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化,后者是研究极端状态下的物质结构与物理规律。”郑晓年说。

    “有7套接收机,因为不同的波段观测的频率不一样,观测和研究目标就不一样。”彭勃说,在大射电望远镜眼中,宇宙和宇宙天体是一种立体的呈现。

    半个多世纪以来,全世界所有射电望远镜收集的能量尚翻不动一页纸,中国大射电望远镜的加盟将大大加快这一速度。而收集的能量,意味着解读宇宙深处奥秘的信息量。

    “从射电望远镜诞生至今,人类共发现了约2500颗脉冲星,如果中国大射电望远镜的工作时间全部用于观测脉冲星,它一年时间内就有望将这个数量翻倍。”彭勃说,脉冲星可以用于脉冲星导航、脉冲星计时阵等应用目标。

    南仁东认为,大射电望远镜还有可能会发现一些前所未见的脉冲星现象,比如说一个脉冲星和一个黑洞结对,那么就可能产生突破性的理论

    “针对大众十分关心的大射电望远镜能否用于寻找地外文明,答案是肯定的。”彭勃表示,它是探测系外行星尤其是类地行星的利器。由于灵敏度提高,它能看到更远、更暗弱的天体,通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号,寻找地外文明的几率比现有设备提升了5至10倍。

    在7月3日馈源舱升舱和反射面板按计划完成安装后,大射电望远镜将进行2个多月的系统调试,于9月底正式竣工投入使用。但要实现所有功能参数最优化,它还要在两三年的观测中不断调试完善。

    “大射电望远镜建成后将成为中国天文学研究的‘利器’,在未来10至20年保持世界一流设备的地位。”郑晓年说,“希望中国科学家尽快利用它出成果。”

    快 评

    “天眼”拓宽“中国科技维度”

    举目苍穹,探索深空。随着世界最大500米单口径射电望远镜主体工程完工,“天眼”让中国和全人类探寻浩瀚宇宙的触角向前延伸。

    “天眼”的诞生,见证了中国科技界20载默默奋斗,化笃实守正之志为仰望苍穹之功。

    “长”在“天坑”里的中国“天眼”“身段”很低,它扎根在中国西南一片喀斯特洼地中,但“目光”高远,射向百亿光年外的幽深太空。

    “天眼”的灵魂,在于掌握核心技术自主建造。建造“世界之最”的道路蜿蜒曲折,挑战与困难无处不在。真正的核心技术是买不来的,也是市场换不来的,只有横下一条心,努力解决技术领域的“卡脖子”问题,把核心技术牢牢掌握在自己手中,才能真正把握发展的主动权。

    “天眼”的脊梁,是一丝不苟的“工匠精神”。“心心在一艺,其艺必工;心心在一职,其职必举。”数十名科学家、上百名工程技术人员和上千名工人的智慧与汗水,才使得接收面积30个足球场的“大锅”达到毫米级精度。扎根深山、精益求精、不畏艰苦、勇于创新、甘于奉献,都是“匠心”必备的气质与品质,是提升中国制造力的底气和基石。

    “天眼”的未来,寄予一辈辈基础科学研究者再接再厉、久久为功。积跬步以至千里,平凡中铸就伟大。科学研究是艰辛的事业,坐得住冷板凳,方能有大作为。天文学、物理学的基础研究短期获得巨大突破的可能性微小,基础科学研究必须耐得住寂寞。“天眼”建成,就需要静心观测,无论是科学家还是社会公众都应有定力和耐心。

    天地即征程。如果说神舟飞天、嫦娥探月,创造了中国科技高度;蛟龙潜海、海上钻探,成就了中国科技深度;神威超算、高铁奔腾,缔造了中国科技速度。那么,可以说“天眼”一定能拓宽“中国科技维度”。

    链 接

    “工匠技艺” 雕琢深邃“天眼”

    “索网”结构——世界跨度最大、精度最高。如何在直径500米、落差150米的喀斯特洼坑里建设一个既稳定、又灵敏的超级“天眼”,科学家和工程师们费足了脑筋,不断探索,最终“索网”结构胜出,它既能稳定支撑,又能让“天眼”工作时跟随天体转动,跟踪扫描射电源。中国大射电望远镜的索网是目前世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第一个采用变位工作方式的索网体系。中科院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程总工艺师王启明说,反射面单元面板将固定在上万根钢索上,安装完成后整个反射面其实是悬在半空中的,螺旋状公路一直通达“凼”底,供车辆和人员维护设备时通行。走入望远镜底部,索网犹如一个由钢索织就的巨大“网兜”,紧紧支撑和保护着反射面板。

    “毫厘标准”——十几米长的索,误差不准超过1毫米。中国大射电望远镜的目标,是把覆盖30个足球场的信号,聚集在药片大小的空间里,如不如此,就无法监听到宇宙中微弱的射电信号。庞然大物却要实现毫米级精度,挑战前所未有。“这里不仅有施工监理,还有专门的材料监造,就是确保每一个用材都能毫厘不差。”王启明说,十几米长的索,误差不准超过1毫米,生产流程必须用恒温装置,确保所有材料是在20摄氏度温度场生产的。“六根索拉着馈源舱移动,48毫米的位姿精度仍不能确保望远镜指向精准。”中国电子科技集团第五十四研究所高级工程师郑元鹏说,馈源舱内安装了并联机器人用于二级调整,最终调整定位精度为10毫米。

    技术材料——基本国产,是中国制造,更是中国创造。没有经验可借鉴,望远镜建设中遇到一道又一道关卡,但是,工程研究人员却经历了无数次失败,失败了重来,再失败再重来,每一道关卡都要经过千锤百炼反复试验。“从技术到材料,基本上都是国产化,是中国制造,更是中国创造。”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,推动我国在天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大跨度结构、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。

    本版稿件均据新华社7月3日电

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