北京公選干時政熱點

首頁 > 時政熱點

時政熱點:中國天眼從地球聆聽來自宇宙的信號

人民日報 | 2021-04-29 09:12

收藏

???????
荔枝视频在线高清免费看_国色天香社区直播在线观看_啦啦啦www在线观看视频播放_丰满中国少妇和黑人玩

  2021年3月31日,“中國天眼”(FAST)正式向全球天文學家開放。“中國天眼”是什么?它是我國具有自主知識產權、用于探索宇宙的單口徑球面射電望遠鏡。有了它,可以推動對宇宙深空的了解與探測,為天文學的發展提供新的可能。

  “中國天眼”有多大?它口徑500米,發射面積相當于30個標準足球場那么大。如果在里面倒滿礦泉水,全世界70億人平均每人可分4瓶。它能看多遠?能看穿130多億光年的區域,接近宇宙邊緣。目前,“中國天眼”是世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠鏡。

  借鑒拋物面天線原理,從地球聆聽來自宇宙的信號

  “中國天眼”的學名是500米口徑射電望遠鏡。不同于常見的通過可見光進行觀測的光學望遠鏡,射電望遠鏡通過接收宇宙中不可見的無線電波來“觀測”宇宙。我們上方厚厚的大氣層有兩個“窗口”: 一個是可見光窗口,千百年來人類都是通過這個窗口觀測宇宙的;一個是無線電窗口,上世紀30年代,無線電天文學先驅卡爾·央斯基偶然發現了來自銀河系中心的信號,射電天文學的大幕由此拉開,推動人類認識宇宙起源、生命起源。

  “中國天眼”是當今射電天文學的“重器”。其基本原理是什么呢?我們都知道,平行電磁波遇到拋物面反射后會匯聚到焦點的位置。對射電望遠鏡來說,把反射面做成拋物面的形狀,然后在焦點位置放置一臺接收機,就可以匯集天體發出的電磁波信號,從而進行天文觀測。拋物面的面積越大,匯集的信號就越多,也就越能探測到更暗弱、更遙遠的天體。所以,自卡爾·央斯基意外發現射電天文觀測窗口之后,各國天文學家就一直致力于建造反射面盡可能大的巨型射電望遠鏡。

  與此同時,伴隨人類對無線電的大規模使用,產生了越來越多的無線電波,干擾了人類對太空信號的接收。在1993年國際無線電大會上,包括中國在內的多個國家提出倡議,希望在地球電磁波環境被破壞之前,建造出超大口徑的射電望遠鏡。次年,以南仁東先生為代表的中國科學家開始“中國天眼”的探索,開啟了“把不可能變成可能”的征途。

  難度大、突破多,“中國天眼”在靈敏度上占據制高點

  到底能建口徑多大的望遠鏡,取決于最終找到多大的洼地。適宜的洼地非常難找,因為它要同時符合四大條件。首先要足夠大、足夠圓,否則只是開挖和支護成本就會讓這個項目無法實現;其次,要遠離人口密集區域,這樣才能保證優良的電波環境;再次,不能積水,不然設備壽命難以保證;最后,還要有優良的地質條件,否則無法建成大型、高精度的天文觀測設備。

  從1994年到2006年,南仁東帶領團隊,從8000多幅地圖中選出300多個洼坑,再進一步將范圍縮小至幾十個。團隊幾乎走遍這些洼地,現場踏勘,風餐露宿。最終,將臺址定在貴州平塘縣克度鎮的大窩凼洼地。

  臺址確定后,如何設計、如何實現、建成之后如何調試和使用,都沒有現成經驗可以借鑒:關鍵技術無先例可循、關鍵材料需從頭研制。

  “中國天眼”設計不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡,這首先體現在“視網膜”和“瞳孔”的設計上。“視網膜”指反射面;“瞳孔”指饋源艙,即放置接收宇宙外信號裝置系統的艙體。

  作為世界首創,“中國天眼”的“視網膜”是主動反射面,可以改變形狀,一會兒是球面,一會兒是拋物面。具體來說,這張龐大的可動的“視網膜”是一張由6670根鋼索編制的索網,掛在一個由50根巨大鋼柱支撐的直徑500米的圈梁上;索網上鋪有4450塊、380多種反射面單元;索網下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面上的作動器上,通過操縱作動器,拉動下拉索來改變索網形狀,從而對天文信號進行收集和觀測。

  “中國天眼”的“瞳孔”即饋源艙,也是一個大膽的突破性設計。大多數傳統射電望遠鏡的“瞳孔”位置是固定的,或僅可以微調。“中國天眼”則完全不同,采用的是全新的輕型索驅動控制系統,這讓“中國天眼”的“瞳孔”可以自如改變角度和位置,更有效地收集、跟蹤、監測更豐富的宇宙電磁波。

  從體量來說,原世界第一大射電望遠鏡的饋源艙重1000多噸,“中國天眼”饋源艙重僅約30噸。體積小帶來多方面的優勢,比如可有效減少光路遮擋、減少干擾信號,從而讓波束非常干凈,更有利于天文觀測。

  “中國天眼”在設計上的突破創新,為“從圖紙到現實”的制造帶來巨大挑戰。而應對挑戰的過程,也正是國產精準制造不斷創造奇跡的過程。比如,要實現反射面(即索網)可改變形狀這個世界首創設計,要求構成索網的鋼索像彈簧一樣有一定伸縮性,疲勞強度是現有標準的兩倍多,國際上未有先例;還要求每根鋼索的加工精度要達到1毫米,把傳統標準提升了一個數量級。

  兩年來,科學家們持續全方位地改進索體工藝,一根鋼索要進行200萬次疲勞實驗。經歷了近百次的失敗后,最終成功解決了這個關鍵問題,實現了3項世界創舉:超大跨度、超高精度、主動變位式的索網結構。

  建設完成之后,“中國天眼”進入調試階段。巨型望遠鏡調試涉及天文、測量、控制、電子學、機械、結構等眾多學科,是強交叉學科的應用性研究,國際上傳統大射電望遠鏡的調試周期很少低于4年。“中國天眼”開創了新模式,其調試工作也更具挑戰性。

  截至目前,已經實現跟蹤、漂移、運動掃描、編織掃描等,提前完成功能性調試。在性能調試方面,“中國天眼”直徑500米,卻要實現毫米級的精度,難度相當大。當前,望遠鏡測量基準網的精度已提升至1毫米以內,其中,靈敏度水平是世界第二大望遠鏡的2.5倍,這是中國建造的望遠鏡第一次在靈敏度這個參數上占據制高點。另外,19波束已經完成安裝,其意義也非常重大:可將望遠鏡視場擴大至原來的19倍,大幅提升望遠鏡的巡天效率。

  “中國天眼”專利技術被運用于多個領域,持續孵化科學新成果

  “中國天眼”團隊敢想敢做,難度大、挑戰大,其設計、建造的過程既是攻堅克難的過程,也是創新性成果相繼產生的過程。許多具有我國自主知識產權的專利技術相繼誕生并得到應用。比如,超高疲勞性能鋼索結構被應用于大型體育場館,高精度索結構生產體系被應用于港珠澳大橋等建設。

  在整個制造、安裝過程中還產生了許多國家級、省級工法。比如,在為“中國天眼”鋪設“視網膜”過程中,4450塊反射單元、6670根鋼索、上萬個關節軸承,都是工人們在幾十米高空一塊塊、一根根、一個個拼裝完成的,容錯率為零。這些復雜工法將有助于未來大型復雜項目的精準建造。

  可以說,“中國天眼”是一個現代工程奇跡,它凝結了20多個科研機構、上百名科研人員的心血,匯聚了幾千名一線工人的汗水。建造條件艱苦,很多人在現場工作幾天,身上就會起滿紅疙瘩。潮濕、陰冷的工棚沒有空調或暖氣,每個人的被子潮濕得快要擠出水來。常有人說,只有中國才能做成“天眼”,我想,做成“天眼”所依靠的,就是這種永不言棄、眾志成城的精神。

  2017年10月,“中國天眼”首批科學成果公諸于世。如今,基于“中國天眼”數據發表的高水平論文已有70余篇;所發現的脈沖星數量已超過300顆,是同一時期國際上所有其它望遠鏡發現數量總和的3倍。為什么發現脈沖星至關重要?脈沖星是正在快速旋轉的中子星,密度極高,每立方厘米重達上億噸。它自身如燈塔一般散射光芒,時時刻刻地掃描著宇宙;它自轉速度很快、自轉周期精確,堪稱宇宙中最精確的時鐘。因此,把握脈沖星,有利于建立“宇宙導航系統”,有助于人類在未來實現星際旅行的夢想。

  接下來,“中國天眼”將進一步在低頻引力波探測、快速射電暴起源、星際分子等前沿方向加大探索,加強國內外開放共享,推動重大成果產出,勇攀世界科技高峰。我們青年一代科學家也將努力“用”好凝結了中國4代科學家心血的“天眼”,產生更多科研成果,推動人類對宇宙的探索和認知。

分享到

全部資訊

copyright ?2006-2020 華圖教育版權所有