逍遥学能 2017-11-09 14:55
世界最大单口径射电望远镜仿真模型
中国西南贵州，在形成于4500万年前的巨型天坑中，科学家与工程师们正在建造面积相当于30个足球场的世界最大单口径射电望远镜。它像一只庞大而灵敏的“耳朵”，将捕捉来自遥远星尘最细微的“声音”，洞察隐藏在宇宙深处的秘密。
这项建在贫困边远山区的中国有史以来最大天文工程，总投资达12亿元，于3月动工，预计9月竣工。科学家将用这只“大耳朵”发现宇宙中神秘怪异的天体，并满足人类最本质的好奇心：宇宙怎么诞生?为什么会有星星?为什么会有我们?我们在宇宙中是孤独的吗?
中国科学院国家天文台射电部首席科学家李?说：“建成后，这座射电望远镜在未来20至30年将保持世界一流地位。”
一、快!望远镜
“大耳朵”正式的名字是：500米口径球面射电望远镜。科学家将它的英文名Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope缩写为FAST。尽管被称作“快”，建设这样巨大的望远镜却绝对无法快速实现。从1993年最初提出这个计划到现在已过去了20多年，其间经历了反复研究论证。
千百年来人类只是通过可见光波段观测宇宙，实际天体的辐射覆盖了整个电磁波段。射电望远镜是在无线电波段观测天体。由于无线电波可穿透宇宙中大量存在而光波又无法通过的星际尘埃介质，因而射电望远镜可以观测更遥远的未知宇宙。射电望远镜几乎可以全天候、不间断地工作。
来自太空天体的无线电信号极其微弱，自70多年前射电天文学诞生以来，所有射电望远镜收集的能量还翻不动一页书。阅读宇宙边缘的信息需要大口径望远镜。
为了加快对宇宙探索的进程，提高中国的深空探测能力，积极参与国际竞争，中国天文界于1993年提出利用贵州喀斯特洼地建造世界最大的单口径射电望远镜。
如今，在贵州黔南州平塘县名叫“大窝凼”的洼地中，望远镜的白色钢架已填满整个山谷。绕着圈梁走一圈大约需要30分钟。
工人们近日开始为望远镜铺设反射面。FAST与一般的光学望远镜长得很不一样，镜面由4000多块小反射面组成。每一块反射面的背后都有钢索牵拉，用于调整方向。这样精巧的设计可以让反射面不断变形，追踪移动的天体，形成抛物面汇聚电磁波，就像一口大锅中又套着个可以移动的大碗。
“让如此巨大的望远镜改变形状，最大的困难是必须快速测量和控制上千台电机。我们通过激光测量精确定位，精度要达到毫米级。”李?说。
FAST工程办公室副主任张海燕介绍，与号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比，FAST灵敏度将提高约10倍;与被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo300米望远镜相比，其综合性能提高约10倍。
“它非常壮观，给人宏大、震撼之感。”国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷最近参观了FAST施工现场后感叹道：“国家投资建设了这么大的望远镜，作为科学家，我们一定要用好它，做出新的发现。FAST比目前世界上所有的射电望远镜都更大、更灵敏，肯定会取得一些国外没有的发现。”
实际上，脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子等重要天文发现都与射电望远镜有关。诺贝尔奖历史上明确基于天文观测的10项获奖成果中有6项都出自射电望远镜，射电天文学已成为诺贝尔奖的摇篮。
目前，约20个国家正在联合建设世界上最强大的射电望远镜阵列——平方公里阵SKA。FAST将比SKA早建成10至20年。李?说：“我们一定要充分利用这个时间优势，尽快取得创新性成果，尽快挖掘获得诺贝尔奖级发现的潜力。如果能探测到引力波或揭示物质新形态，这些会是诺贝尔奖级的发现。”
他表示：“我们的望远镜是开放的，未来欢迎国内外的科学家来使用。”
二、托“外星人”的福
20年前，为FAST寻找台址的朱博勤在崎岖的山路上跋涉了两个多小时，爬上“大窝凼”的垭口，映入眼帘的是：青山环抱着一片圆圆的洼地，山上绿树葱郁，山谷内灰瓦木屋点缀在农田之间，鸡犬之声不绝于耳。这里有个好听的名字：绿水村。12户人家65口人居住在连电都不通的封闭小世界里，在寂静晴朗的夜晚，有时也抬头望望散布穹顶的星辰。
贵州地处亚热带湿润季风性气候区，由于这里沉积了厚厚的碳酸盐岩，加之地质、气候、水文等因素的影响，喀斯特地貌得到良好的发育，占全省总面积约70%，特别是在贵州南部，发育了大量喀斯特峰丛洼地。科学家认为这种天然的洼地正适合建造形如大锅的FAST，可以大大减少工程成本。
专家们先根据卫星遥感影像，对400多个备选洼地的形态特征、水文、地质、气象及电波环境等诸多方面做了评估，并通过计算机模拟了工程填挖量，从中选出30多个实地考察。
在地无三尺平的贵州，稍微平坦一点的地方，就有农民种地。很多类似“大窝凼”的洼地中都有居民。
台址系统总工程师朱博勤回忆说，有外国专家参与了考察。附近的老百姓听说后赶了半天路来围观，漫山遍野站满了人。“他们渴望了解外面的世界，就像我们渴望了解宇宙。”
科学家说要在这建一座射电望远镜，村民们不懂。当科学家说可以用射电望远镜找外星人，大家就明白了，并且特别高兴，因为全世界都会知道他们的家。
最后，专家选定“大窝凼”，因为它不大不小，深度合适，形状很圆，适于施工建设。
朱博勤说，“大窝凼”岩石有足够的承载强度，这里的喀斯特地质条件可以保障雨水向地下泄流，避免损坏望远镜。
此外，在“大窝凼”附近5公里半径内没有一个乡镇，25公里半径内只有一个县城，无线电干扰较少，无重大自然灾害记录。贵州有一批电子工业企业，具有制造大型无线电天线生产能力，拥有大型铝业基地，运输方便，水电丰富。这些为FAST建造提供了优越的工程环境。
为了人类最大的望远镜，“大窝凼”的居民搬迁到镇里居住，他们在“新世界”的生活条件大大改善。其他洼地中的村民们羡慕不已地说：“不知道哪辈子修来的福，靠外星人让他们搬离了这个地方。”
三、天籁之音
FAST建成后，用这只“大耳朵”听什么，科学家们还在不断讨论中。
李?说，它投入使用后，可观测的天体数目将大幅度增加，将搜寻到更多的奇异天体，可为科学家提供更多更好的观测统计样本，更可靠地检验现代物理学、天文学的理论和模型。“FAST拟回答的科学问题不仅是天文的，也是面对人类与自然的。它潜在的科学产出也许我们今天还难以预测。”
主要研究暗物质与暗能量的科学家陈学雷说：“我对FAST非常期待。我们希望通过观测中性氢的分布来研究宇宙膨胀速度。”
陈学雷解释说，中性氢在宇宙中到处都是，中性氢可以产生波长为21厘米的谱线。宇宙的百科全书是用微弱的21厘米氢谱线写成的。“我们通过对中性氢的观测就能知道物质在宇宙中是怎样分布的，进而可以测量出宇宙如何膨胀，并推算暗能量的性质。”
奇异的脉冲星强烈地吸引着科学家们。李?说：“目前人类已经发现2000多颗脉冲星，我们期待找到新种类的脉冲星。在银河系的近邻仙女座M31中，科学家预测那里应有脉冲星，但是还没找到。目前所有望远镜中，几乎只有FAST才有足够的灵敏度在仙女座中找到脉冲星。我们期望能在那里找到50至80颗脉冲星。”
陈学雷说：“脉冲星有很多怪异的现象和性质，我们还无法理解。科学家已经发现一些转得特别快的脉冲星，叫毫秒脉冲星，大约每几毫秒转一圈。它为什么转那么快，还需要研究。”
“脉冲星就像天体物理实验室，很多最极端的现象就发生在那里。科学家可以将脉冲星作为工具研究万有引力。如果将来发现脉冲星与黑洞组成的双星系统，我们就可以利用脉冲星去研究黑洞周围的时空。”陈学雷说。
由于脉冲星的稳定性可以超过原子钟，有科学家提出，可以用脉冲星为太空飞船导航。
“另一个重要目标是利用脉冲星探测引力波。引力波是爱因斯坦广义相对论一个非常重要的预言，但科学家还没有检测到。引力波会使脉冲到达时间发生变化。如果我们能观测到全天的脉冲星或者某一方向上的多个脉冲星周期发生变化，就能探测到引力波。”陈学雷说。
科学家还准备用FAST搜寻识别可能的星际通讯信号，开展对地外文明的搜索。
李?说：“找到地外智慧生命很难。我们的重点是寻找宇宙分子，也就是研究宇宙学尺度上的生命起源。几乎可以肯定，再有两三年，科学家就可以在太空中直接找到氨基酸。我估计找到地外生命也是非常可能的，无论是太阳系内还是太阳系外。”
他说，目前科学家已经在太空中发现大约180多种分子，如一氧化碳、氢分子、氨气、甲醛，以及一些很奇特的分子：巧克力、各种酒精、指甲油分子等。
此外，FAST将为中国深空探测提供一个高灵敏度、高分辨率的地面跟踪与遥控设备，它将使中国深空测控能力延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高数十倍，同时填补美国、西班牙和澳大利亚三个深层空间跟踪站在经度分布上的空白。
李?说：“对于人类来说，探索未知世界、满足好奇心，是与吃饭睡觉同等重要的本质权利。以前中国科学家在贫穷的条件下依然可以在数学、计算机、粒子物理等领域从事世界一流的科学研究。现在国家支持我们建设FAST这样的大型望远镜，我们将代表人类诉求不断探索未知世界。”
“探索未知世界会激发人类的创造力，去做人类以前做不到的事情，找到原来根本想象不到的解决问题的办法，这其中会产生巨大价值。”