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世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国

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发表于 2016-11-10 20:34:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
贵州最大射电望远镜已经服役,显然它已经成为世界最大的射电望远镜,十足为国人争了一口气,数十年来,我们一直没有自己的超级射电望远镜,如今中国各项超级工程的建立,已经和世界强国持平了,射电望远镜能发现外星人吗?我想最先发现外星人的肯定是中国人。自从伽利略发明光学天文望远镜以来,人类探索星空的手段就一直以光学技术为主,望远镜甚至成为我们探索宇宙秘密的唯一工具。但是宇宙并没有那么简单,来自天体的信号不仅有光波,还有大量紫外辐射和红外辐射。

世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国

世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国10 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22198,70705

大耳朵射电望远镜
1931年,一个非常意外的发现,成就了人类另一种探索宇宙的方法,另一个观察宇宙的窗口。那一年,在美国的贝尔实验室,年轻的无线电工程师央斯基在研究长途电讯干扰时,用自己设计安装的一种方向性很强的天线,在14.6米的波长上接收到了一个每隔23时56分04秒就会出现最大值的无线电干扰信号。这是一个非常稳定的噪音信号,它跟地球的自转周期一致。很明显,它来自于太空。

于是,射电天文学诞生了。最初的射电天文望远镜使用抛物面接收来自宇宙的射电信号。这种抛物面就像是一口大锅,下面带有自动跟踪装置,可以跟踪天体的运行。80多年过去了,射电天文学得到了飞速的发展,射电望远镜的外形也发生了巨大的改变。


世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国

世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国87 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22198,70705

绿岸射电望远镜
如今,这个家族越来越庞大,各式各样的射电望远镜也一一出现。不仅如此,射电望远镜还可以组成大规模、形式多样的阵列,这也大大加强了人类探索宇宙的能力。
设计简单的“大喇叭”

当代美国贝尔实验室的研究人员是无线电研究的先驱,他们不仅发现了射电信号,而且还继续深入研究。1964年,美国贝尔实验室的人员发现了来自天空的讯号。这个讯号不随时间改变,24小时存在,与地球自转无关。这就是宇宙微波背景辐射,它是宇宙发生大爆炸的最好证明。

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世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国13 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22198,70705

AKP-1000
发现宇宙微波背景辐射的是一台“大喇叭”——大耳朵射电望远镜。大喇叭的张口和长度达到了最佳匹配。它被固定在一个大圆环上,转动起来就能调节仰望天空的角度。这种射电望远镜设计简单,造价低廉,是那个时代最具代表性的人类作品之一。不过,随着建造技术的快速发展,它开始慢慢步入冷宫。

特别的“绿岸”

射电望远镜基本都形似大锅,那个抛物面天线,能够把射电讯号聚焦在焦点处,由焦点上的馈源装置来处理、研究讯号。此外,“大锅”需要瞄准天空中的不同目标,所以还得配备旋转装置,而各口“大锅”的旋转方式也不尽相同。


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世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国12 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22198,70705

绿岸射电望远镜
位于美国西弗吉尼亚州的“罗伯特·C·伯德绿岸望远镜”就非常特别,它的直径为110米,具有射电望远镜最典型的特征,只不过那个圆形大锅不是圆球的切面,而是抛物面。那个抛物面是它最主要的部件,由2000多块反射板拼接而成。绿岸射电望远镜是目前这个星球上最大的陆基可移动结构,也是最灵敏的单体射电望远镜。在一个群山环绕的地方,“绿岸”可以不受任何电磁波的干扰,一心一意地追寻宇宙信号。

犹如十字架的ДКР-1000

在苏联时代,俄罗斯建造了一个“奇葩”的跨波段射电望远镜——ДКР-1000。它就像是一个巨大的十字架,从南北两个方向伸展长臂,长度都是1000米。每个长臂表面看起来像是现代的槽式太阳能发电装置使用的聚热抛物槽,但却比太阳能抛物槽宽大得多,宽度达到40米。它的抛物面被一根根电缆,也就是子馈源代替,东西臂有288个偶极子馈源,南北臂安装了626个偶极子馈源。

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世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国16 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22198,70705

低频阵列
ДКР-1000可以调节其南北臂展开的程度,无数条天线就悬挂在线索上,如同一张巨型五线谱。事实上,它还真的可以“弹奏”出音乐。当微风吹来时,天线们就会“演奏”出奇妙的哨音,史诗巨片《战争与和平》的创作人甚至还录制了这样一段音乐,放在了影片中。

ДКР-1000体型巨大,灵敏度高,可以探测2.5~10米波长范围的无线电波,因此属于跨波段射电望远镜。ДКР-1000为射电天文学的研究提供了大量数据,同时也引领了射电望远镜组成阵列的风潮,大大提升了人类的观测能力。


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世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国66 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22198,70705

500米口径球面的中国射电望远镜
覆盖半个欧洲的低频阵列

欧洲大陆建有一个射电望远镜阵列——低频阵列(LOFAR)。这个低频阵列更像是一种多用途工具,研究范围从无线电波到遥远的宇宙现象,还有那些由宇宙射线撞击地球大气层所产生的现象。宇宙中存在着很多高能粒子,它们在进入地球大气层的过程中,都会与空气中的分子发生作用,引发一系列反应。因此低频阵列既能探测来自宇宙的电波,也能探测地球大气层的电磁爆发。


低频阵列与之前介绍的射电望远镜不太一样,它的天线是棒状的。射电望远镜的天线大致可以分为盘状的和棒状的,而“大锅”就属于盘状天线一类。低频阵列的天线看起来就像是刚刚栽植的树木,为了保持稳定,工作人员还会为每根天线辅以链条支撑。
由2.5万根天线组成的低频阵列,覆盖了350平方千米的区域。它的主阵在荷兰,5条旋臂伸展开来,进入德国、瑞典、法国和英国,属于五臂对数螺旋阵列。若从高空俯瞰,低频阵列的形状就像是宇宙中的漩涡星系。


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世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国21 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22198,70705

300米口径的阿雷西博射电望远镜
FAST成就中国骄傲

为了追求更好的性能,射电望远镜的尺寸通常都非常巨大,但尺寸的增大又会给望远镜的转动带来不少麻烦。机智的美国科学家在波多黎各的大山中找到了一个火山口,在那里依山而建,修成了阿雷西博射电望远镜。
阿雷西博射电望远镜的直径是300米,曾经是世界上口径最大的单天线射电望远镜,不过在2016年7月3日,这个称号却被中国的FAST(500米口径球面射电望远镜)取代了。FAST屹立于贵州的深山中,直径达到500米,球面由4400多面主动反射单元构成,观测范围较阿雷西博射电望远镜更为宽广。

这两个射电望远镜的接收天线都是球面的,但球面的焦点需要改造才能成为抛物面的焦点。阿雷西博射电望远镜经过数次变形,才将焦点改造成为抛物面的焦点,但这必然会导致馈源系统更加复杂、庞大,直接影响观测效果。

与阿雷西博射电望远镜相比,我国的FAST不仅口径更大,技术也更为先进。FAST的表面看似是球形的,但实际上却可以通过镜面变形技术使部分面板随时改变其距离地面的高度,成为直径300米的抛物面,这就大大减轻了馈源系统的重量。

三臂对数螺旋阵列的中国日像仪

由于太阳也能发出射电辐射,因此射电望远镜不仅能观测宇宙,也能观测太阳,而中国打造的日像仪就以太阳为主要观测目标。在内蒙古正镶白旗明安图观测站,中国刚刚建设成功的新一代厘米-分米波射电日像仪(SMART)通过验收。
SMART是一个三臂对数螺旋阵列,3条臂膀就像螺旋线那样伸展开来。在3条悬臂中,混合编排着2种射电望远镜。它可以在厘米分米波段上,对日冕瞬变现象、高能粒子流、日冕磁场和太阳大气结构等进行观察,对太阳物理学研究具有重要作用。
按照计划,SMART还将与美国的频率灵活太阳射电望远镜(FASR)和欧洲的“扩展FASR计划”相互配合,首次实现太阳日冕射电成像的日不落观测。

射电望远镜的大聚会

人类将射电望远镜组成阵列的技术越来越成熟。今年,一个全新的射电望远镜阵列也要开始建造——平方公里阵列(SKA)。这是一个由20多国共同参与的庞大计划,更是人类历史上最大的天文合作项目。
SKA得名于其巨大的信号采集面,这并非意味着它具有1千米的天线口径,而是因为它由上千台较小的天线阵列组成。按照计划,SKA将横跨三大洲,其基线会超过3000千米,核心处的半径在5千米左右。组成这个阵列的射电望远镜品种多样,将拥有3000个直径为15米的抛物面蝶形天线和250组中、低频孔径阵列,低频阵列的成员包含100多万个低频天线。
SKA建成后,其灵敏度将是现有地面最大的射电望远镜阵列EVLA的50倍,分辨率是EVLA的100倍,巡天速度更是提高了10000~200000倍。此外,它还能探测到10光年外的雷达信号,观测到130多亿年前宇宙大爆炸开始后不久的宇宙现象。其中央计算机处理能力相当于1亿台家用台式机的能力,每天传输的数据量将超过目前全部互联网的流量,使用的光纤足够环绕地球2圈。
事实上,SKA的重要意义不仅在于其技术和体量的提升,更在于它将欧洲的低频阵列、南非的MeerKAT厘米波射电望远镜和澳大利亚的ASKAP平方公里阵列射电望远镜相连接,从而具备了对整个天空进行协同观测的能力。

过去的射电望远镜往往是单打独斗,或是仅仅形成局部网络,受到地域限制,它们都只能观测星空的很小一部分,许多重要天文事件可能因此错过。将世界各地的天文望远镜连成网络,自然能更加全面地观测整个星空。
作为世界上即将建造的最大综合孔径射电望远镜,SKA是否真的能如科学家所愿,为人类解答有关星系演化、暗能量、引力本质、宇宙磁场等秘密呢?我们还不得而知。但是建成后的SKA必然将会是未来科学家的重要科研工具。这一场射电望远镜的大聚会,也将引领射电天文学的新革命。

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世界超级射电望远镜 最大射电望远镜在中国24 / 作者:伤我心太深 / 帖子ID:22198,70705

SKA落户南非、澳大利亚

2012年5月29日,历时9年的SKA选址竞争终于落下帷幕,南非和澳大利亚共同获得SKA的项目承办权。为了争取SKA项目,两国都做出了巨大努力。
南非于2008年通过《天文地理优势法案》,对SKA计划落户的区域实施法律保护,对该地区的人为活动和电磁信号进行严格约束。而澳大利亚则与新西兰联合申请,推出SKA探路者项目,并建设了默奇森射电天文观测站。
按照计划,SKA项目一期工程将于2016年-2019年建设,2020年开始运行;二期工程将于2018年-2023年建设,2024年开始运行。

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