贵州,黔南布依族苗族自治州,平塘县克度镇绿水村。
这里有着独特的喀斯特地貌。曾经,这里有着一个深几百米、直径500多米的圆形洼地,犹如一口天然的“巨锅”,被称之为“大窝凼”。
9月25日,全球最大的500米口径球面射电望远镜(Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope,简称FAST)在“大窝凼”正式落成启用。在碧绿的群山环绕中,FAST就像是一只银色的“天眼”,望向遥远的太空。
多年来,人类一直渴望探索宇宙的奥秘,寻找外星文明,而射电望远镜则是人类接收宇宙信号的最佳工具。
经典射电望远镜的基本原理和光学反射望远镜相似,投射来的电磁波被一精确镜面反射后,同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面易于实现同相聚焦,因此,射电望远镜天线大多是抛物面。
通俗而言,射电望远镜就像是一个大号的“卫星天线锅”,通过反射聚焦,将从宇宙接收到的信号汇聚到一点上,再对这些信号进行分析。由于宇宙中充满了各种辐射,信号也非常微弱,所以射电望远镜口径越大,接收到的信号也就越多,“看”的也就越远。
据FAST工程副经理、办公室主任张蜀新介绍,FAST的科学目标主要包括脉冲星探测、中性氢探测、寻找暗物质和外星文明等等。
在FAST问世之前,全球最大的单口径射电望远镜是建成于1974年、位于美国波多黎各阿雷西博天文台的Arecibo射电望远镜,口径为350米。再之前,最大的射电望远镜是1972年建成的德国波恩 Effelsberg 射电望远镜,口径为100米。
FAST的口径为500米,有效口径300米,反射总面积25万平方米,相当于30个足球场,能够接收到137亿光年以外的电磁信号,是迄今为止最大、精度最高、威力最大的射电望远镜。这意味着假如有一天人类真能够接收到外星信号,FAST应该是能最先接收到信号的射电望远镜。
探秘FAST
日前,笔者有幸亲眼目睹了FAST的庐山真面。
FAST被誉为“中国天眼”,理由之一是完全采用自主研发和和国产材料, FAST工程总工艺师王启明表示,FAST在设计上有着三大创新,选址、主动反射面和轻体馈源舱。
青山掩映中,FAST坐落于天然形成的大窝凼之中,非常巧妙的利用了地形的优势。据FAST工程台址与观测基地系统总工程师朱博勤介绍,FAST工程在1994年开始选址,一方面要找到合适的洼地,以减少工程量,另一方面是要找到无线电干扰很小的地方,以避免对射电望远镜的干扰。
“相比矿坑、陨石坑等低洼地貌,综合考虑周围人口、电磁背景、地质灾害、排水、造价等因素,我们发现只有在熔岩地貌发育比较晚的喀斯特洼地最合适”,朱博勤介绍说,1998年FAST工作人员才找到了这个地方,在大窝凼里面,FAST反射面都位于崖口下面,对减少电磁有着很好的作用。“大窝凼是建造FAST最完美的地方。”
FAST的第二大创新是采用了“主动反射面”。如果将FAST看作是一个“大锅”,其“锅沿”是圈梁结构,“锅底”则是反射面。圈梁采用了5000多吨钢材,上面具有6670根锁网,用于支撑和牵引反射面。非常创新的一点,FAST的反射面并不是一个整体,而是由4450个边长11米的三角形组成,每个三角形的连接点通过下拉锁可以运动,从而让“锅底”实现从球面到抛物面的变形,以提升精度。
FAST位于山间洼地,且是一个“大锅”样的结构,这不免让人担心它会不会“存水”。这用疑虑是多余的。FAST的反射面看似光滑,实际上面有着很多直径5毫米的小孔。这样的设计是为了透光,不影响“锅底”下面植被的生长,同时也能够减少风阻,减轻重量。
FAST的第三大创新是采用了轻体馈源舱。在FAST的中央,有一个被六条钢索牵引着的悬浮馈源舱,就像是FAST的“焦点”。馈源舱中放置着FAST的信号接收设备,FAST所接收到的电磁波将全部汇集到馈源舱,初步处理后再传输到监控室,再由可科学家们进行分析处理。
中间悬浮部分为馈源舱
有别于之前的射电望远镜,FAST馈源舱的最大创新在于采用“轻体”设计,只有30吨,能够依靠钢索牵引,在水平200米、垂直100米范围内移动,从而找到最佳接收位置。相比之下,美国Arecibo射电望远镜虽然也有馈源舱结构,但重量高达1000吨,故而只能固定在一个平台之上,不能进行移动。