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武向平院士:中国天眼FAST最终将被世界巨眼所代替

来源:网络整理 作者:科技新闻网 人气: 发布时间:2018-10-16
摘要:两年前,中国科学院国家天文台在贵州成功建成了世界上最大的单口径射电望远镜FAST,口径500米,大家常把它叫做天眼,面积有30个足球场大。 FAST于2016年9月建成

  两年前,中国科学院国家天文台在贵州成功建成了世界上最大的单口径射电望远镜FAST,口径500米,大家常把它叫做“天眼”,面积有30个足球场大。

  FAST于2016年9月建成,目前正在调试,尚未正式工作。但在网上有大量关于FAST重大发现的传说,这些所谓的重大发现都是不靠谱的。

武向平院士:中国天眼FAST最终将被世界巨眼所代替

  FAST:单口径射电望远镜的终结者

  FAST的真正用途是科学研究,在调试阶段,它第一次在中国国土上发现了脉冲星。脉冲星是自转的中子星,非常致密,直径大概十公里。中子星在1967年被科学家发现,50年之后我们终于在自己的国土上用一口五百米的 “锅”把它看见了。

  天文望远镜为什么要选择射电波段作为工作波段呢?从下图可以看出,在无线电波段的整个波谱中,射电波段的大气不透明度为零,也就是说所有波段里面只有射电波段在地面上可以直接进行天文观测,不需要到山上,也不需要到太空去。全球无线电波段是唯一可以实现洲际联网观测的,这样的话,全球的射电望远镜可以连成一个网,只要没有干扰就可以工作。

武向平院士:中国天眼FAST最终将被世界巨眼所代替

  到目前为止,四项射电波段的重大发现获得了诺贝尔奖,其中包括1)脉冲星的发现;2)两个脉冲星绕转产生的引力波辐射的发现;3)大爆炸火球遗迹的发现;4)宇宙微波背景辐射微弱涨落的发现。

  射电天文学的研究始于1931年,当时人们建了一个轮子,轮子上面放一个9.5米直径、可以转动的天线,使人类第一次看到了来自太空的无线电辐射。

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  1937年,人们造出第一口“锅”,口径9.5米。它的工作波段正好位于调频广播波段,使人们第一次绘制出了银河系图像,尽管非常粗糙。

  现在“锅”越来越大,德国和美国都曾研制了最大口径100米的可转动射电望远镜。而世界上曾经存在的最大的可动射电望远镜口径达305米,自1961年建成后,它发现了大量成果,包括诺贝尔奖级的发现,现在这个“锅”锈迹斑斑基本不能工作了。

  55年以后,我们建造出FAST这样一个口径达500米的射电望远镜,可谓是建筑史上的奇迹。在这里也向工程的缔造者和建设者表达最崇高的敬意。由于建造难度巨大,再加上射电望远镜建造观念的变化,FAST将成为单口径射电望远镜的终结者。

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  干涉阵列带来射电望远镜建设革命

  为什么建FAST这么大的望远镜?射电望远镜追求的是高灵敏度——能够收到更多光子,高分辨率——能够看的更加清楚,大视场——能够看的更多的目标。高灵敏度就需要大接受面积,高分辨率就需要大口径,大视场反而需要小的口径。

  FAST口径大,灵敏度高,可以观测到微弱的信号。缺点一是分辨率低,看得远却看不清,在最好的工作波段只有3角分,人眼的分辨率是1角分;二是视场小,能够看到非常暗弱的天体,目前无法实现多目标同时观测。

  为了解决射电望远镜设计上的缺陷,早在1946年Martin Ryle想通过射电干涉以解决这一个问题,他的这一想法获得了诺贝尔物理学奖。

  射电干涉阵列其实就是把一堆小的天线堆在一起,每个天线都可以接收光子,所有光子叠加起来,灵敏度就提高了。由于望远镜的视场由单一口径望远镜决定,所以小望远镜可以看到更大范围。同时,布设望远镜时距离拉开,可以使分辨率提高。这个想法可以很好地解决望远镜中很多的设计问题,因此获得了诺贝尔物理学奖。

干涉阵列思想示意图

干涉阵列思想示意图

  

  我们试想下,如果把FAST分解会发生什么事儿?你会发现,它的灵敏度没有变,因为面板一样大;分辨率提高,因为距离拉开了;同时视场变大,因为视场是每一个单块决定,于是把望远镜分解反而更好。

武向平院士:中国天眼FAST最终将被世界巨眼所代替

  1946年干涉阵列思想提出之后,世界上出现了很多大大小小的干涉阵列望远镜,遍布全球,解决了很多问题。美国首先将自己国土上的望远镜连起来,形成了长基线干涉。欧洲联合南非、中国等国家,组成了跨全球工作的望远镜阵列(EVN)。东亚的望远镜也连在一起,形成VLBI系统。我国的望远镜也组成了VLBI系统,在乌鲁木齐、昆明、上海和北京都有布设,为探月工程发挥了重大作用。

中国望远镜VLBI系统

中国望远镜VLBI系统

  SKA:完全数字化的望远镜

  目前全世界的望远镜是可以连起来组成网络的。可以说地球直径有多大,望远镜分辨率就有多高。既然所有的望远镜都连起来了,为什么还要再建望远镜呢?

  原因很简单。因为望远镜分布在全球各地,望远镜工作时依赖原子钟计时。它在观测同一目标时既要记录信号也要记录时间。不同的时间在干涉研究前要事先转换,影响效率。

  另外,所有的望远镜都是靠机械转动来跟踪目标。过去的雷达是靠机械转动跟踪目标,而现在的雷达已经发展到线控雷达,即雷达不动就可以跟踪目标,可以用数字线控指向跟踪目标,提高观测效率。天文学家就在想,能不能把望远镜的传统干涉技术加上线控雷达技术来建造一台信息化时代的射电望远镜,这就是我们要讲的平方公里望远镜(Square Kilometer Array , SKA)。世界上10个国家组成了平方公里阵列射电望远镜国际组织,中国是成员之一。10年前,人们希望投入65亿欧元把这个望远镜建设起来,但是现在看来远远不够。

  下面结合视频给大家讲讲SKA的组成。

  SKA的组成

  大家首先看到是“锅”,每个大小15米。看着很壮观,15米大小的锅建2500个,组成了一个5公里的中心致密阵列,再延伸到3000公里组成一个更大的场景极限。

  中心部分有三种天线,第一种在高频波段工作,第一批天线由位于石家庄54所造出来,这种天线要转动跟踪目标的。

责任编辑:科技新闻网
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