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我国最大的射电望远镜FAST将揭开宇宙起源地外文明之谜

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发表于 2016-9-18 20:36:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
2016年9月2 5日,“中国天眼”是我国最大的射电望远镜,也是世界上最大的射电望远镜,FAST即将在贵州平塘正式竣工并投入使用。最大的射电望远镜投入使用能带来什么?能揭开外星人之谜吗?这一天文学盛事,掀起了大众对寻找地外文明的热议。而在中科院国家天文台副台长郑晓年看来,“寻找地外生命,的确是FAST的一个目标所在,但它更像是排在菜单末尾的甜点。FAST试图回答的,是更久远的问题,比如宇宙演化、脉冲星和星际分子,它将帮助解开宇宙初始混沌、暗物质分布与大尺度结构以及星系演化等领域的谜团。”

我国最大的射电望远镜FAST服役 将揭开宇宙起源之谜

我国最大的射电望远镜FAST服役 将揭开宇宙起源之谜
那么,FAST将如何解答这些谜题?
FAST谜题之寻找地外文明
FAST,全称“500米口径球面射电望远镜”,是目前世界最大的单口径球面射电望远镜,它的灵敏度与号称“地面最大机器”的德国波恩100米射电望远镜相比,提高了约10倍;综合性能与“人类20世纪10大工程”之首的美国阿雷西博305米射电望远镜相比,同样提高了约10倍。
“这意味着,它建成后将成为中国天文学研究的‘利器’,在未来20~30年保持世界一流设备的地位。”郑晓年解释说。
中科院国家天文台研究员、FAST工程经理部副经理彭勃则表示:“由于灵敏度更高,FAST能看到更远、更暗弱的天体,通过探测星际分子、搜索可能的星际通讯信号,寻找地外文明的几率比现有设备提升了5~10倍。”
那么,FAST是怎样寻找地外文明的?
答案是,通过一种波——一种肉眼看不见的无线电波。
和光学望远镜主要通过可见光来观测宇宙不同,射电望远镜主要观测的是无线电波。由于无线电波能穿透宇宙中大量存在、且光波无法通过的星际尘埃,因而射电望远镜的“视力”要比光学望远镜强得多。

正因为如此,自1932年射电望远镜问世后,便开启了探索宇宙的黄金时代——20世纪60年代,天文学四大发现类星体、脉冲星、星际有机分子和宇宙微波背景辐射,都与射电望远镜有关;诺贝尔奖历史上10项天文学奖中,有6项都基于射电望远镜的观测成果,射电天文学也因此成为“诺贝尔奖的摇篮”。
不过,来自太空的无线电信号非常微弱,有天文学家形象地比喻:“把80余年来所有射电望远镜收集的能量集中起来,甚至翻不动一页纸。”因此,要想阅读更多的宇宙信息,就需要“视力”更强的射电望远镜。

而这一“视力”的灵敏度与口径的平方成正比,可探测范围与口径的三次方成正比——总之,口径越大,射电望远镜的“视力”就越强。
据郑晓年介绍,直径500米的 FAST理论上能接收到137亿光年以外的电磁信号,这一距离,已接近宇宙边缘
也就是说,如果宇宙中真的存在地外文明,FAST就极有可能捕捉到相关信号,从而揭开这些“星际邻居”的神秘面纱。
FAST谜题之探秘宇宙大爆炸
“FAST最主要的两大科学目标,是巡视宇宙中的中性氢和观测脉冲星。”中科院国家天文台FAST工程总工艺师王启明介绍说。
中性氢,这是什么东西?探测它有什么用?
实际上,中性氢与大众耳熟能详的一个词——“宇宙大爆炸”有关。
我们知道,宇宙起源于137.4亿年前的一次大爆炸。但是,由于此前科学家很难将观测延伸到如此久远之前,关于大爆炸的细节,尤其是爆炸之初最为重要的60秒里发生的剧变,至今尚无明确答案。

幸运的是,宇宙中还有一位与大爆炸几乎同龄的“老人家”——中性氢。
中性氢能辐射出21厘米氢谱线,它能穿越宇宙尘埃、暗云等星际物质,因此能用于研究星际中性氢原子分布、银河系和河外星系结构,帮助人们解开宇宙大爆炸之谜。
但是,由于21厘米氢谱线的信号极其微弱,“阅读”它需要非常灵敏的望远镜,比如我们的FAST。
实际上,为了提高灵敏度,FAST采取了非常严苛的“毫米标准”。

“FAST的目标,是把覆盖30个足球场的信号,聚集在药片大小的空间里,如果不这样,就无法监听到宇宙中微弱的射电信号,”王启明介绍说,“因此,FAST500米口径的巨大结构,处处都是头发丝般的毫米级精度要求。用来编织索网的上万根手臂般粗细的钢缆,每一根的加工精度都被控制在1毫米以内;天线精度是3毫米,每一块小面板的制造精度是1.5毫米。”
此外,由于FAST采用了光机电一体化的馈源平台,加之馈源舱内的并联机器人二次调整,它在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,可实现毫米级指向跟踪,精确聚集和监听宇宙中微弱的射电信号。
那么,FAST的灵敏度到底有多高?王启明打了个比方:“假设你在月球上打电话,FAST也能探测到你的信号。”

我国最大的射电望远镜FAST服役 将揭开宇宙起源之谜

我国最大的射电望远镜FAST服役 将揭开宇宙起源之谜
FAST谜题之星际旅行导航

FAST的另一大科学目标,是观测脉冲星。

脉冲星是高速自转的中子星,具有极其稳定的周期性,是宇宙中最精准的“天文时钟”。因此,它能成为星际航行的“灯塔”,为宇宙飞船提供自主导航信息服务。
“从射电望远镜诞生至今,人类共发现了约2500颗脉冲星,如果FAST的工作时间全部用于观测脉冲星,它一年内就有望将这个数量翻倍。”彭勃说。
而且,目前已观测到的脉冲星均在银河系内,FAST将对准银河系外的脉冲星,为天文界开拓新的研究领域。
当然,FAST能做的还有更多:探索暗物质与暗能量,检测引力波,研究黑洞如何吞噬小天体,搜寻中子星-黑洞双星、奇异星、夸克星物质……作为物理学和天文学研究的新平台,它将帮助我们解开深远宇宙中的更多谜题。



FAST谜题之“眼珠”怎样动起来

“中国天眼”之所以拥有如此多的强悍功能,不仅源于它的大,更来自它的灵巧——它是会“动”的!
也许你会说,眼睛不都会动吗?但对射电望远镜来说却并非都是如此。
在FAST问世之前的世界最大单口径球面射电望远镜——美国阿雷西博305米望远镜就不会“动”,而FAST则能在局部300米直径的抛面上“动”起来。
打个比方,阿雷西博就像是一只固定不动的305米直径的大眼睛,而FAST则是一只更大的、直径500米的眼睛,它上面有300米直径的眼珠,可以灵活转动,因而能眼观六路,视野宽广。
“眼珠”之所以会动,源于FAST工程中的中国三大自主创新之一——“主动反射面”技术。
据王启明介绍,为了让FAST能“动”起来,科学家们煞费脑筋,不断探索、试验,最终选择了“索网”结构,将4450个反射面单元面板固定在上万根钢索上,形成一个巨大的“网兜”——这也是目前全球跨度最大、精度最高、第一个采用变位工作方式的索网结构,再次刷新了世界纪录。
为提高索网的支撑作用,FAST项目团队研发出具备高弹性、抗拉伸、抗疲劳特征的专用钢索,其500兆帕的超高应力幅,达到了国家标准的2.5倍。
“这种材料当时在国内没人能生产出来。”王启明介绍说,FAST项目团队用了整整两年时间,寻遍国内顶级的钢索厂及高校,才最终攻克了这种钢索技术。
在FAST反射面单元面板下,还创新设置了2000多个促动器。它们就像2000多只灵活的大手,拉动、支撑着索网,使500米直径的球面能局部变形为300米直径的抛面,从而让FAST的“眼珠”能跟随天体转动,跟踪扫描射电源。
实际上,FAST的建设,“从技术到材料,90%以上都是国产化,是中国制造,更是中国创造。”王启明说。

我国最大的射电望远镜FAST服役 将揭开宇宙起源之谜

我国最大的射电望远镜FAST服役 将揭开宇宙起源之谜
因此,FAST的建成,拓宽了中国科技创新的新维度,推动着我国在天线制造技术、微波电子技术、并联机器人、大跨度结构、公里范围高精度动态测量等众多高科技领域的发展。未来,它还将为我们带来哪些传奇,让我们拭目以待!

发表于 2016-9-18 20:40:13 | 显示全部楼层

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