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世界最大的单口径射电望远镜FAST向全球开放 | 专访

北京时间 3 月 31 日零点,中国 “天眼” 正式面向全世界开放,接受全球科学家的观测申请。

中国 “天眼” 又称 FAST,是一台 500 米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope),坐落于贵州省黔南喀斯特巨型洼坑中,是目前全球最大单口径、灵敏度最高、综合性能最强的射电望远镜,没有之一。

图 | FAST 官网开启观测申请(来源:FAST 官网)

望远镜是人类探索宇宙必不可少的工具,相比观测可见光频段的光学望远镜,射电望远镜可观测到宇宙中各种天体发出的射电波,它的出现拓展了人类对宇宙的认知,对于类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子、以及脉冲星的发现,射电望远镜功不可没。

此前,美国的阿雷西博(Arecibo)望远镜曾是世界最大的射电望远镜,它位于波多黎各岛,口径为 305 米。然而,伴随着 2020 年的两次意外事故,最终其于当年 12 月初坍塌报废。

阿雷西博射电望远镜属于 “固定机位”,主体无法转动,只能通过改变馈源位置来扫描某个特定区域,而且其反射面是一个球面,反射的无线电波信号是平行的,因此得用超大馈源装置才能将这些信号全部接收。为提高接收效率,后来阿雷西博改进成了改正镜的方式。

图 | 阿雷西博射电望远镜(上)与 FAST(下)的盘面对比(来源:维基百科)

相比来看,FAST 不但更大而且更加 “灵活”,它可利用自身众多的反射面形成瞬时抛物面,进而通过小型馈源装置获取来自天空不同区域的信号,从而更利于追踪移动天体。

据悉,FAST 的综合性能是阿雷西博射电望远镜的 10 倍以上,可接收到 137 亿光年以外的电磁信号,最远观测范围可达宇宙边缘,并且FAST 在未来 10-20 年都将处于国际领先地位。

图 | FAST 鸟瞰图(来源:受访者)

三大自主技术创新,FAST 问鼎世界射电望远镜之最

FAST 由主动反射面系统、馈源支撑系统、接收机与终端、测量与控制系统以及观测基地等部分构成,反射面总面积达 25 万平方米,相当于 30 个标准足球场大小。

FAST 之所以能稳坐全球射电望远镜 “头把交椅”,主要归功于其搭载的具有自主知识产权的核心技术。对此,国家天文台青年研究员、现任 FAST 运行和发展中心机械组组长姚蕊告诉 DeepTech,中国 FAST 拥有三大技术自主创新:

第一,贵州省黔南州的喀斯特巨型洼坑地形具有天然球形特征,利用洼坑作为台址减少了大量的建设工程,而良好的电磁环境更是射电望远镜的 “好家园”。

第二,自主研发主动变形反射面技术,将球面变成抛物面进行信号汇聚。

第三,自主研发轻型索拖动馈源平台和并联机器人,实现接收机的高精度指向跟踪。

图 | 国家天文台青年研究员、现任 FAST 运行和发展中心机械组组长姚蕊(来源:受访者)

FAST 建设之初对标的正是美国阿雷西博射电望远镜,阿雷西博采用固定球面设计。如果按照阿雷西博的设计思路,那么 FAST 整个框架和馈源舱的质量将超过万吨,显然这将无法实现。

“FAST 建设团队将目光投向了索网结构,创新性地将球面实时变成抛物面,把电磁波汇聚到一个焦点。团队经过研究测算发现,如果选择合适的焦比,就可以在 300 米口径范围内让球面变成抛物面,而索网形变最大偏移距离不足 1 米。” 姚蕊说道。

图 | FAST 主动变形反射面系统示意图(来源:受访者)

如上图所示,FAST 的主动变形反射面系统由圈梁、索网、反射面单元和促动器装置构成。

FAST 使用上万根钢索编织成索网悬挂于圈梁,类似于把一个巨大的网兜挂在直径 500 米的圈梁上,索网上安置有 4450 个反射面单元,索网的 2000 多个结点下面连接下拉索和促动器,促动器向下拉索网,整个反射面单元会随之一起发生形变,在观测方向形成一个抛物面,最终将电磁波汇聚到焦点。

图 | 主动变形反射面技术示意动图(来源:受访者)

得益于上述创新设计,FAST 能在任意 300 米范围内形成一个高精度抛物面来汇聚射电波。概括来说,其开创了巨型射电望远镜的建造新模式,突破了传统全可动射电望远镜口径百米工程的极限。

同时,FAST 超大的工程规模、严苛的精度要求、以及独特的运行方式也给研究团队带来了前所未有的挑战。

图 | FAST 形成 300 米口径抛物面示意图(来源:维基百科)

首当其冲的便是钢索材料问题,“FAST 索网的抗疲劳性能要超过 200 万次,还得承受大尺度弹性形变以及 500MPa 应力幅,这个要求甚至超过了国内 / 国际相关标准的 2.5 倍以上。当时国内没有这种钢索,于是 FAST 联合科研单位和相关企业共同攻关,最终研发成功。后来,这种钢索还被用于珠港澳大桥建设中。” 姚蕊说道。

两级并联机构协调工作,实现馈源毫米级精度控制

在 FAST 接收面由球面变成抛物面之后,信号汇聚难题迎刃而解,接下来便是如何精准移动馈源舱进行信号收集。据悉,只有将馈源精确地定位在抛物面焦点,才能最高效率地捕获信号。

“FAST 采用轻型馈源支撑系统,使用 6 根长达 600 米的钢丝绳形成跨度达 600 米的索并联机器人牵引中间 30 吨的馈源舱,在 140 米的高空、207 米范围内的球冠面上实时运动并接收无线电波,馈源舱里装有刚性并联机器人,索并联机器人和刚性并联机器人协同进行馈源定位,能够实现馈源 10 毫米的动态精度控制。” 姚蕊表示。

图 | FAST 馈源支撑系统(来源:受访者)

据了解,FAST 馈源支撑系统所用的这种大跨度下并联机器人的研究在当时还是一片空白,包括研究方法、设计方法以及控制技术等都需进行攻关。

对此,姚蕊说:“FAST 联合很多高校团队进行研发,做了很多理论研究,最终经过一系列大量模型试验才完成了技术攻关。索并联机器人在 FAST 研发和成功应用中得到了更广泛关注,目前已大量地应用于航空航天、船舶、仓储等众多领域。”

至此,信号的汇聚、收集工作已经大功告成,最后就是信号的传输问题。

FAST 使用的通信光缆需要同时满足 80 多个通道以进行信号传输,同时光缆还需要随着钢丝绳进行长度变化,这就要求光缆的数据带宽足够大,还要足够轻,这对光缆弯折次数和疲劳特性等也提出了严苛要求。

谈及该难题的攻克,姚蕊告诉 DeepTech:“FAST 采用的动光缆技术,也是 FAST 联合国内企业联合技术攻关,最终成功开发出兼具质量轻、带宽大、耐用的 48 芯动态光缆。”

图 | 多种测量手段优势互补实现馈源精准定位(来源:受访者)

另据悉,FAST 还采用全天候多手段测量技术,包括 GPS、全站仪和惯导技术等,通过不同测量手段的优势互补、先进自主技术的加持、以及实时保证馈源的精准定位,FAST 最终实现了毫米级别的动态精度控制。

而且,FAST 不受天气因素影响,可实现全天候的天文观测,除了日常维护和测试需求外,每天均有 22-23 小时可实现观测,这也促成了更多科学成果的产出。

借助 FAST,中国天文界收获很多突破性成果

导航给人们的生活带来诸多便利,那在太空中如何实现导航?有一种方法是借助脉冲星,航天器飞出地球大气层后,可通过脉冲星进行定位和导航。

脉冲星是一种自旋非常快的超高密度天体,其辐射来自于自身强大磁场的极冠区,当脉冲星辐射信号在极冠转到地球视线方向的时候,射电望远镜可以捕捉到脉冲信号。“脉冲星就好比是一个时钟,若能发现信号比较稳定的脉冲星,就等于为宇宙探测提供了一个很好的基准。” 姚蕊指出。

图 | 脉冲星的射电信号辐射(来源:受访者)

正因此,脉冲星是射电望远镜重要的科学目标之一,在基础科学研究领域起着至关重要的作用,对航天事业也具有重大意义。自 1967 年发现第一颗脉冲星至今,人类一共发现了 2700 多个脉冲星。

而 FAST 从 2016 年 9 月落成启用,到 2020 年 1 月通过国家验收,含设备调试时间在内的四年间便发现了 300 余颗脉冲星,为中国乃至全球天文科技发展贡献了重要力量。

“FAST 最重要的应用之一就是发现脉冲星,当然还包括毫秒脉冲星。当发现了足够多的优质脉冲星,就可以做成一个计时阵,为今后测引力波、星际导航等提供帮助。” 姚蕊说道。

毫秒脉冲星,顾名思义它在几毫秒便可自转一周,而地球需要 24 小时才能自转一周。凭借超高灵敏度,FAST 可观测到毫秒脉冲星,这极大提升了人类对脉冲星的观测能力,更让传统射电望远镜难以企及。

当然,观测脉冲星并不是 FAST 的唯一用途。去年 11 月,Nature 一连刊登三篇快速射电暴的相关论文,其中一篇正是中国团队借助 FAST 完成的,该研究首次为快速射电暴与磁星之间的关系提供了线索。

图 | Nature 刊登的中国快速射电暴相关论文(来源:Nature)

借助 FAST,研究人员可以探测暗物质、测算黑洞质量、探寻外星文明,还可观测早期星系的活动迹象,探索宇宙的起源和奥秘,甚至还能发现未来可以适合人类居住的星球等等。

此外,FAST 在射电瞬变源方面也有很大潜力,有望在短时间内实现纳赫兹的引力波探测、捕捉到宇宙大爆炸时期的原初引力波,为研究宇宙大爆炸原初时刻的物理过程提供数据支撑。

不得不说,一系列 “技能” 加持,让 FAST 在全球射电望远镜行列一骑绝尘。那么,既然VLBI(Very Long Baseline Interferometry,甚长基线干涉测量技术)实现了地球直径级别口径,建设 FAST 的意义何在?

凭借灵敏度优势,FAST 有望主导国际 VLBI 合作

前面一直在提及的是 FAST 灵敏度很高,但灵敏度并不是衡量射电望远镜的唯一标准。

“灵敏度和分辨率是衡量射电望远镜最重要的两个指标。灵敏度高可以理解为望远镜‘看得更远’,分辨率高可以理解为望远镜‘看得清晰’。” 姚蕊指出。射电望远镜口径越大,灵敏度也就越高,能够接收到的射电波也就越多。

虽然单个射电望远镜的分辨率不高,但可以 “联机” 运行,也就是使用两台位于不同地点的望远镜接收来自同一天体的电波信号,然后将两束电波进行干涉,其等效分辨率相当于一台口径为两地距离的单口径射电望远镜,这便是前面的甚长基线干涉测量技术。

目前,科学家已利用该技术实现了 “等效口径相当于地球直径量级” 的射电望远镜。

图 | VLBI 示意图(来源:网络)

可能有人问,既然已经拥有口径相当于 “地球直径级别” 的射电望远镜,那么建造口径仅为 500 米的 FAST 用途何在?

对此,姚蕊指出,“VLBI 技术的目的是为了把望远镜分辨率做得很高,但若是想要提高灵敏度只能增加望远镜的口径。FAST 的优势在于灵敏度高,可以探测到更弱的射电信号源。目前,提高射电望远镜灵敏度的唯一方法就是增加收集信号接收面的面积,即增加口径。”

换言之,VLBI 技术能做的只是提高射电望远镜的分辨率,但如果两台望远镜的灵敏度都不高,根本探测不到微弱信号,因此等效口径再大也没有实质意义。

值得一提的是,得益于超高灵敏度优势和地域优势,FAST 将有望成为 VLBI 的 “网主”,在国际 VLBI 合作领域发挥主导作用。

科技无国界,FAST 向世界开放尽显大国风范

天文学是一门重度依赖观测设备的学科。长期以来,由于没有大型射电望远镜,中国天文学家很难拿到一手资料。如今随着 FAST 的诞生,这一格局被彻底扭转,中国的科学家们有了更多的主导权。

FAST 最早是中国天文学家南仁东教授于 1994 年提出的构想,由中国科学院国家天文台主导进行设计建造,历时 22 年建成。从预制到完成,这二十余年凝聚了众多科学家的心血与付出。

谈到南仁东教授,姚蕊告诉 DeepTech,“南老师除了在技术层面起到的领导作用,他更是我们的精神领袖。FAST 从提出到建设再到落成,期间有着太多的艰难险阻,南老师就像是一座灯塔,照亮大家前行的路,他勇于探索、永不言弃的科学精神始终激励着大家沿着这条路坚定不移地走下去。”

对于建设 FAST 的意义,姚蕊表示,“FAST 将对国内天文、物理等众多领域的发展起到巨大的促进和推动作用。中国科学家可使用 FAST 观测的时间更长,因此可以做更多、更广泛的科研探索,可以开放更多科学目标观测,还有可能开辟全新的科学目标和领域。在建设期,FAST 带动了相关领域的协同发展,如今进入运行期,伴随 FAST 后续升级,还将进一步促进相关技术和理论研究发展进步。”

图 | FAST 全景(来源:FAST 工程)

自从去年阿雷西博射电望远镜坍塌之后,全球天文学家的注意力都聚焦在 FAST 上,去年中国科学院院士、FAST 科学委员会主任武向平也公开表示:“FAST 将在 2021 年面向全球开放,全世界的科学家都可以使用这台世界上最大的射电望远镜,一起为探索宇宙的奥秘、推动人类文明的进步作贡献,构建人类命运共同体。”

对于中国作出的这一承诺,外媒报道称:“中国 FAST 面向全球开放可以说是拯救了全世界的天文学家!”

对此,姚蕊认为:“作为国之重器,FAST 一方面为我们国家的天文事业作贡献,另一方面,我们也希望向全世界展示我们国内从天文学到技术的能力,让更多的科学家利用 FAST 得到更多更好的科研产出。探索宇宙是全人类共同的目标,FAST 的开放必将促成更多国内外技术合作,进一步提升全人类对于宇宙探索的能力。”