大而靈敏的「中國天眼」

簡稱FAST的中國「天眼」是迄今為止看得最遠、看得最清的望遠鏡。在月亮上使用手提電話,也逃不過它的「眼睛」。 FAST是具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。它主要用來接收來自宇宙深處的信號,終極目標是搜尋外星人。相信未來二三十年內它都將保持世界一流設備的地位。 

在貴州省的崇山峻嶺中,有這樣一個「超級工程」景區,景區每天的門票嚴格控制在2000張以內,因此很多遊客提前半個月就在網上預約;遊客進入景區要經過嚴格程度堪比機場的智能安檢和人工雙重安檢兩道關卡;進入景區核心區5公里範圍內,包括手機、相機在內的電子設備,一律「上繳」。 

這個景區就是「中國天眼」。自2016年9月25日落成至2018年9月,「中國天眼」共發現59顆脈衝星候選體,其中有44顆已被確認為新脈衝星。 

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北京大學留學生在FAST觀景台合影留念。(來源:中新社)
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世界最大、最靈敏 

500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope),簡稱FAST,位於貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩氹的喀斯特窪坑中。 

FAST由我國天文學家南仁東於1994年提出構想,歷時22年建成,於2016年9月25日落成啟用。它是由中國科學院國家天文台主導建設,具有我國自主知識產權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。 

它的口徑有500米,由近46萬塊三角形單元拼接而成。它的圈梁被50根6至50米高低不等的鋼柱支在半空,周長約1.6公里。其反射面總面積25萬平方米,相當於30個標準足球場那麼大。 

由於選址在貴州喀斯特天然地貌,省去了大量人工開挖的工作量。 

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FAST在貴州平塘縣克度鎮喀斯特窪坑中(來源:新華社)
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FAST的主動反射面可以利用2400個節點下方的下拉索和促動器裝置,進行有效變形。 

FAST的自主創新體主要現在三個方面:  

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輕型饋源支援系統 

使用六個塔來懸掛和調整饋源艙,這個設計並不簡單。要知道世界第二大的美國「阿雷西博」305米口徑望遠鏡的饋源平台足足有上千噸重,如果按照美國人的設計思路,FAST的饋源平台將達到近萬噸。而由於FAST採用輕型饋源支撐系統的設計,饋源艙平台的重量僅為30噸。 

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FAST雖然大,卻非常靈敏。這主要體現在它會轉動,就像人類的眼睛一樣,為了捕捉信息而轉動。其索網結構可以隨着天體的移動變化,帶動索網上的4450個反射單元在射電源方向形成300米口徑瞬時抛物面,從而極大地提升了觀測效率。而主動反射面讓「中國天眼」擁有更廣的觀測範圍,能覆蓋40度的天頂角。 

中國「天眼」的靈敏度,是號稱「地面最大的機器」的德國「埃菲爾斯伯格」100米口徑望遠鏡的10倍;是人類二十世紀十大工程之首的美國「阿雷西博」300米口徑射電望遠鏡的2.25倍,其綜合性能提高約10倍。 

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FAST能夠接收到137億光年以外的電磁信號。從2016年9月25日起,FAST方圓5公里成為「靜默區」。這個龐然大物開始睜開「慧眼」,專注地捕捉來自宇宙深空的信號。 

FAST調試組的工程師李志恆說,「簡單來說,FAST相當於人類感官的延伸。」  

人類的感官無法識別和處理宇宙中的天體傳來的電磁波信號,FAST的運行系統就充當了媒介的角色,它將信號收集、處理、再翻譯成人類能理解的形式。 

文章開頭提到的脈衝星是恆星爆炸後產生的一種特殊的中子星。它最大的特點是高速自轉,磁場旋轉時產生的射電脈衝等輻射束會週期性地快速掃過地球,就像是輪船在海裡航行看到過的燈塔一樣。 

脈衝星是理想的天體物理實驗室,對它的研究有望得到許多重大物理學問題的答案。 

同時,由於脈衝星的自轉週期極其穩定,因此可以成為人類測量宇宙時空的超高精准度時鐘。例如,當飛船飛進宇宙深處,望遠鏡、衛星不能直接觀測時,就需要依靠脈衝星提供的準確時間,測算出某時某刻飛船抵達了甚麼位置。 

銀河系中有大量脈衝星,但由於其信號暗弱,易被人造電磁干擾淹沒,目前只觀測到一小部分。而FAST望遠鏡則是發現脈衝星的理想設備。 

在「中國天眼」之前,地球上所有望遠鏡都只能看見銀河系裡的脈衝星。隨着「中國天眼」加入射電望遠鏡家族,科學家預測人類發現的脈衝星家族有望擴員一倍,而且會看見銀河外星系的脈衝星,或者看見圍繞黑洞的脈衝星。 

除了單向接收宇宙信號之外,FAST也具備提供星際間的深空通訊能力。如果有人類航天器飛到遠至太陽系外緣行星,仍然能夠通過FAST和地球聯繫上。 

為防止外來無關人員侵入,FAST週邊安裝了防護網,但這些防護網之內的植物都會儘量保留。反射面板上有很多透光的小孔,就如同篩子,可達到50%的透光率。這樣做既可以減輕重量和風阻,又能保證植被的正常生長。在望遠鏡主體所在的天然窪地中,生長着很多綠色植物,它們對坑底的水土保持起到有利作用。 

美國有線電視新聞網興奮地猜測說,中國最大的天文望遠鏡將開始搜尋外星人。英國《衛報》則形容說,這代表着中國天文能力的一次飛躍,「未來可能的發現甚至超出我們最瘋狂的想像」。由於它的超強探測精度,它可以接收到宇宙誕生之初的信號。 

對此,FAST工程台址與觀測基地系統總工程師朱博勤說,搜尋地外文明(外星人),確實是「天眼」的終極目標之一,但是現在還沒有做這個事。FAST的三大目標是:脈衝星、星際導航、中性氫,另一個科學目標就是尋找星際分子。 

曾有科學家打了個比方:有人在月亮上使用手提電話,也逃不過它的「眼睛」。中國天眼是迄今為止看得最遠、看得最清的望遠鏡,並將在未來20至30年保持世界一流設備的地位。 

 

 

參考資料: 

《「中國天眼」是甚麼?到底有多牛?》 洛麗塔科技 2017/10/11 

《「中國天眼」的過人之處》 人民網 2017/3/31 

《中國「天眼」創三項世界之最 性能超第二名10倍》 劉揚 環球網 2016/9/26 

《「中國天眼」凝聚中國創新》人民日報 海外版 2017/8/22 

《「天眼」調試組:白天摳精度晚上試觀測,為天文事業「淘金」》張茜 中國青年報 2018/6/4 

《脈衝星是啥?我們為甚麼要尋找它?》蝌蚪五線譜 2017/10/11 

《「中國天眼」工程師:搜尋外星人是FAST的終極目標之一》 付松 紅星新聞 2017/10/17 

《「中國天眼」:兩年發現44顆新脈衝星》 中國新聞網 2018/9/12

上載日期:
2018年09月27日

延伸閱讀