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幸运28:FAST:凝聚中国创新 倾听宇宙声音

FAST:凝聚中国创新 倾听宇宙声音

  “记得刚到FAST的时候,那里只有一个硕大的天坑,周围什么都没有,一片荒凉。从坑底走上来,需要一个多小时的时间。”FAST馈源支撑系统助理工程师李铭哲曾这样描述过。现在,当你驱车前往克度镇这个偏僻的黔南小镇,再穿过一道道的狭窄山口,到达一个名叫‘大窝凼’的喀斯特洼地时,视野就会被一个500米直径的白色钢环填满,那是史上最大望远镜的圈梁。

  从1994年开始,中科院国家天文台联合中科院遥感所、西安电子科技大学、清华大学等30所科研单位和大专院校,投入到中科院战略先导项目“世界最大单口径射电望远镜”(英文简称FAST)建设中,这项历时22年的大科学工程于2016年9月25日正式竣工,习近平主席致信祝贺。这给中国科技工作者以巨大的鼓舞,也将中国天文学研究推向了一个更为深广的世界。

  廿二载铸就“中国天眼”

  “根据国际大环境和我国特有的地理条件,中国天文学家提出在贵州喀斯特洼地中建造大口径球面射电望远镜的建议和工程方案。”中科院国家天文台副研究员岳友岭告诉《中国科学报》记者。

  1994年6月,FAST选址工作启动,FAST首席科学家兼总工程师南仁东和他的同事们开始了长达十余年的预研究工作。为了找到最适合的建造位置,项目组成员通过卫星获取和分析了上千个洼坑的数字地形模型(DTM)地图。在没有道路的情况下,足迹踏遍了上百个窝凼和洼坑。最终,地址确定为贵州省平塘县的“大窝凼”。

  2005年11月,中科院召开院长办公会议,南仁东在会上为FAST申请立项并得到通过。2007年7月国家发改委批复FAST工程正式立项,开始了长达9年的设计和建造。

  FAST的设计目标,是把覆盖30个足球场的信号,聚集在几厘米大小的空间里。只有这样才能监听到宇宙中微弱的射电信号。百米口径已接近全可动射电望远镜的极限,建造如此巨大的射电望远镜,国际上没有先例,而500米口径的结构要实现毫幸运28米级精度,也前所未有。

  “超级工程”击破技术难题

  FAST是世界上唯一一个完全利用变形反射面工作的射电望远镜,500米的反射面板中有300米的区域实时变形成抛物面,这样就能接收来自不同方向的电磁波。而FAST能动,靠的就是2200多根下拉索。FAST一生中每一根下拉索至少要反复拉伸几十万次,这对下拉索的质量要求特别高。

  “工程上要解决的就是钢索耐疲劳问题。在整个望远镜的生命周期里,钢索要不断地被拉缩,需要的钢索的耐疲劳性能要达到两百万次,当时世界上没有任何一个国家生产这种钢索。”岳友岭说,团队做了多次实验,最终突破了这项技术。

  钢索的研发成功,促成了十二项自主创新专利成果的形成。世界上跨度最大、精度最高的索网结构在FAST工程上得以成功运用。

  “为了保证望远镜不受电磁干扰,我们对所有的电气设备都进行了评估和电磁防护。”中科院国家天文台高级工程师甘恒谦向记者解释,在6个塔顶上,为了监测钢丝绳和滑轮的安全要安装一台摄像机,在对摄像机进行电磁屏蔽的同时需要给镜头留出一个窗口观测钢丝绳和滑轮运转的情况。“屏蔽玻璃,是一种中间夹很细的金属丝网的双层玻璃,其金属丝细到肉眼无法分辨,它既满足摄像要求,又满足电磁屏蔽的要求。利用这种屏蔽玻璃生产出来的摄像机屏蔽舱,最后它的屏蔽效果达到80dB(分贝),基本达到业界最高水平。”

  像这样创新的例子,在FAST的建造过程中不胜枚举。FAST由主动反射面、馈源支撑、测量与控制、接收机与终端、台址与观测基地等六大系统组成,每一个系统里又有很多个子系统,每一个子系统里又有很多个装置。科学工作者用了22年的时间,自主设计、自主研发了FAST的绝大部分技术。

  助力探索宇宙奥秘

  南仁东曾经说过,现在我们侦测到的约2000颗脉冲星,全都是银河系内的。别的星系幸运28想必也有脉冲星。所以FAST会对准别的星系,发现更远更奇特的脉冲星,研究它们的物理性质。

  FAST还可能观测到宇宙中最丰富的元素——中性氢。所谓中性氢,就是宇宙中未聚拢成恒星的自由氢原子。通过观测中性氢信号,就能获知星系之间互动的细节,还可能发现早期宇宙中刚刚形成的氢是怎么运动的,从而为宇宙演化史提供线索。

  未来会形成FAST望远镜参与组成的太空探测测控网,其测控能力可以延伸到太阳系的外沿,将深空通讯数据下行速率提高几十倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的120纳秒提高至30纳秒,成为国际上最精确的脉冲星计时阵。

  FAST的意义不仅仅限于科学研究上的探索与突破,对伴随着此类大科学工程成长起来的人也产生了巨大的影响。甘恒谦说:“人才培养是我们这种单位的优势,我们自己的学生有很多通过参与这个项目,已经在望远镜的调试和维护中担任重要角色。”

  目前,望远镜处在整体调试阶段。未来将有能力巡视宇宙中的中性氢、探测星际分子、观测脉冲星、搜寻星际通讯信号,天文学将注定有更多的突破。

  (原载于《中国科学报》 2017-08-31 第1版 要闻)