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遥观宇宙的一口锅

2015-03-20高峰

科学大众(中学) 2015年1期
关键词:天文学射电口径

高峰

这是全世界有史以来最大的一口锅,重达数万吨,锅口面积大约相当于25个标准足球场的总和。假如用它煮上满满一锅饭,应该够全世界人聚在一起吃个饱。

当然了,这口被科学家称为FAST的“超级大锅”并非为煮饭建造,它是一台500米口径球面射电望远镜,如今正在贵州安装,预计2016年投入使用。这一世界上最大的单口径球面射电望远镜建成后,可为中国探月工程和进一步的深空探测提供支持,并在未来二三十年内保持世界领先水平。

“地球天眼”遥观地外世界

宇宙起源于何处?太古洪荒的尽头在哪里?人类在浩瀚宇宙中是否孤独?自古以来,这些问题便萦绕在人们的心头。

随着近代天文学的发展,人类对于宇宙的探索逐渐走出了“思想实验”的阶段,然而即便在现在,由于条件的限制,人们对宇宙的探索更多时候还是采取立足于地球之内的对外观测,故而需要借助天文望远镜这一遥观宇宙的“天眼”。射电望远镜由于可以探测到来自深空的极其微弱的电波,因而在深空探测中发挥着不容忽视的作用。

射电天文学产生于上个世纪三四十年代,当时美国贝尔实验室的科学家用天线阵成功地接收到来自银河系中心的无线电波。几年之后,美国另外一个科学家在成功接收到宇宙深处的无线电波后,将之绘成第一幅射电天图,射电望远镜由此诞生。射电天文观测技术的提高推动了天文学的发展,脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子等上个世纪60年代4个重大天文学发现,都与射电望远镜密切相关。

与普通光学天文望远镜不同,射电望远镜是由天线和接收系统等组成的,其显著的特征就是巨大的天线。尽管没有长长的镜简以及物镜、目镜,但是射电望远镜谛听宇宙的本领并不逊色。就FAST来说,它既不像一般太空望远镜那样屹立于山顶或南极之巅,也不像“哈勃”望远镜一样翱翔于太空,而是坐落于贵州一片具有喀斯特地貌特征的洼地之中。从空中看,FAST就像一口巨大的锅,但是这口“锅”并不是用来做饭的,而是用来接收宇宙来电的。

射电望远镜相当于一个巨型的收音机。通过巨大的天线,射电望远镜将微弱的宇宙电波收集起来,然后将收集到的信号传输到具有极高灵敏性的接收系统上。接收系统在进行信号放大以及分离噪音处理后,再通过记录器将信号转化为曲线。随后,天文学家通过分析曲线来获取来自浩渺太空中的信号。

FAST工程“千呼万唤始出来”

近年来,随着天文学日新月异的发展,世界范围内对建造新一代射电望远镜提出了越来越迫切的需求。各国为了占领天文学高地,竞相发展大口径射电望远镜,FAST也应运而生。

作为世界最大的单口径射电望远镜,FAST在国内和国际天文学界均备受瞩目。

FAST建立的初衷是为了争取世界最大的射电望远镜国际合作项目落户中国,为此,中国决定采取“筑巢引凤”战略,在国内建设世界最大射电望远镜。上个世纪90年代中期,北京天文台和国内多所科研院校联合成立了大型射电望远镜中国推进委员会,随后又提出在贵州省平塘县“大窝凼”洼地建造500米口径球面射电望远镜。选址贵州,一方面是因为可以最大限度利用喀斯特地貌节省建设成本,减少流水对设备的腐蚀,另一方面是因为当地具有较为安静的观测环境,可以较大限度减少地面电磁干扰。

经过漫长的预研究后,FAST于2007年7月立项,项目总投资6.27亿元,预计建设周期5年半。此后没有过多久,该项目就在贵州正式开工,根据规划有望在2016年前后投入使用。

“千里眼”引领中国天文强国之路

过去十多年,中国在天文观测领域取得了一些值得称道的进展,如建成世界上口径最大的大视场望远镜——郭守敬望远镜、开辟南极准空间天文观测平台、在上海落成亚洲最大的全方位可转动射电望远镜等。FAST的建成,将进一步助推中国从天文大国向天文强国前进的步伐。

建成后的FAST与目前国外先进设备相比,将会超前很多,如与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米口径望远镜以及美国Arecibo 300米望远镜相比,FAST在灵敏度和综合性能上都有大幅提高。此外,FAST还通过机器人控制、轻型索电力拖动,对重达万吨的望远镜镜面进行方向定位,如此一来,望远镜能够观察任意一个太空方位,这也是FAST独具特色的地方。

作为一个多学科研究平台,FAST有能力观测暗物质和暗能量、发现脉冲星以及奇异星和夸克星物质,并可精确测定黑洞质量。它不仅可以寻找第一代天体以发现宇宙起源的秘密,而且可以搜寻识别可能的星际通讯信号以寻找地外文明。除此以外,FAST还将大大提高中国空间探测能力,将中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘,在深空探测领域有着重要应用价值。

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