洞悉宇宙,天眼已開。怎麼,你還不知道?

科學人2018-10-04 12:08:16

2016925日,是舉世矚目的“天眼“——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)竣工的日子。這隻在貴州的群山之中凝視著宇宙的”天眼“,即將開始追尋宇宙最深邃的過去,搜索地外文明的蹤跡。果殼網科學人再次帶你深入工程現場,去領略這隻剛剛睜開的天眼。


群山環繞的FAST全景(圖片來源:中國科學院國家天文臺FAST工程辦公室)

 FAST“藏在”貴州省平塘縣克度鎮大窩凼群山環繞的天然喀斯特窪坑裡。這個巨大的窪坑本身,就是FAST的三大創新之一。選擇把“天眼”安放在這裡,不僅節省了鉅額的工程開支,環抱的群山還為“天眼”的觀測創造了寧靜的工作環境。

“天眼”的工作原理其實跟咱們平時常見的鍋式天線差不多,通過拋物面把採集到的信號反射到接收信號的饋源艙裡,再由相應的信號處理系統對接收到的信號進行處理。只不過,“天眼“有世界級的超大口徑,採集的是來自宇宙的海量信息,而它的大腦,是曙光超級計算機。

這隻大眼睛是由4450塊反射面板拼在一起組成的。和常見的鍋式天線不同,它是一個真正的球冠狀反射面。什麼意思呢?就是,它真的像是一口巨大的鍋,攤開來足有30個足球場那麼大。


從側面看,真的是通通透透一口“鍋”(攝影/明天) 

FAST的第二大創新,是為了讓這口大鍋能更好更精確地採集來自天空中某個區域的信號。首先,這口“大鍋”被“端起來”架在一個周長1600米的環形圈樑上。離開地面的“鍋底”上的每一塊反射面板都被一根根鋼鎖遷拉著,形成一張巨大的鎖網。在上萬根鋼鎖的牽拉下,這幾千塊反射板能夠在“鍋底”形成一個300米直徑的瞬時拋物面,匯聚來自某一個方向的電磁波,就好像“天眼”裡轉動的“瞳孔”,可以隨時“望”向令它著迷的遠方。相比之下,美國的阿雷西博望遠鏡雖然也不小,但是它的眼睛就永遠只能盯著一個方向。


FAST的圈樑結構和反射面索網液壓促動系統。每一塊反射面板的背後都有一根牽拉鎖和一套液壓促動系統相連,精準地實現滿足天文觀測需求的300米口徑瞬時拋物面(攝影/明天)

只有“瞳孔”可以轉動還不夠。光線射入眼睛,需要投射在視網膜上才能被最終處理成眼前的風景。“天眼”的“視網膜”,就是由6根鋼鎖吊在“鍋裡”的饋源艙。

懸吊在“鍋裡”的饋源艙(圖片來源:中國科學院國家天文臺FAST工程辦公室)

看著不大對不對?巨型“天眼”的“小小”饋源艙重達30噸。所謂“饋源”,就是匯聚收集所有從宇宙中接收到的信號的設備,饋源艙就是用來安放這些設備的地方。要想最大限度的接收大鍋採集反射回來的信號,饋源艙就必須像傳統的鍋式天線一樣處在焦點的位置上。這下問題就來了,還記得剛才說過的吧?“天眼”的“瞳孔”是會轉動的!4450片反射板可以在鋼鎖的牽拉下根據觀測的需要可以隨時改變瞬時拋物面的朝向。相應的,”天眼“的“視網膜”也就必須得能跟著瞳孔一起動才行。否則?就是睜眼瞎嘍。

 
吊在鍋裡“小小”的饋源艙(攝影/明天)

 想讓這個30噸重的大傢伙動起來可不是件容易的事。看到照片裡圍在“鍋邊”的6座巨大的高塔了嗎?他們是“饋源支撐塔”,高的有168米,最矮的也有128米。每座塔都有一根鋼鎖拉住饋源艙的一個角,把它懸吊在“鍋裡”。收放這6根鋼索,就能拉著饋源艙在“鍋裡”移動,滿足收集信號的需要。

 
巨大的饋源支撐塔(攝影/明天)

 “收放自如”的饋源艙是FAST的又一大創新。不論反射面如何變化,通過饋源支撐塔懸掛的輕型索拖動機構的牽拉和並聯機器人的二次精調,饋源艙能夠隨著反射面的變化需求,在規定的時間,準確無誤的到達規定的位置。有多精確?30噸重的饋源艙,在一百多米的高空,直徑兩百多米的球面上,實現誤差小於10毫米的定位!

反射面上凸起的小黃點,其實是這些黃色的大柱子。它們是“天眼”轉動的“燈塔”。它的穩定性,是實現反射面和饋源艙能夠精準無誤的協同運動的基準。知道它有多穩嗎?3年的風吹日晒,它的誤差只有1毫米(攝影/明天)

隨著“天眼”睜開,投入使用的FAST將首先進入調試-試運行觀測階段的工作。科學家們期望在未來的3-5年內能夠通過試運行,讓整套系統達到期望的觀測精度與能力,獲取高質量的觀測數據,進而為人類獲取關於宇宙的起源和演化、脈衝星、精準時鐘、深空導航,甚至是地外文明探索等更多關於宇宙的新知。

與科學家們同樣興奮的,還有平塘縣距離FAST幾公里之遙的克度鎮。在為“天眼”選址的時候,這座始建於元朝的小鎮上甚至還有人家連電都沒有。這也正是“天眼”落戶這裡的原因之一——射電望遠鏡的觀測雖然不受天氣的影響,但卻對無線電干擾非常敏感。電視、電臺、手機,所有無線電數據的傳輸都會對“天眼”的觀測造成干擾。沒有工業、人口稀少、甚至附近小鎮連電都沒通的大窩凼簡直就是個完美的選擇,在“天眼”周邊設立5公里的電磁波寧靜區簡單可行。

在“天眼”觀景臺上鳥瞰“天眼”和整個景區。畫面右邊山坳裡的“小眼睛”是新建成的平塘國際射電天文科學旅遊文化產業園FAST遊客服務中心(攝影/明天)

然而,今天的克度鎮早沒了當年的模樣。小鎮如今是通往平塘縣“天眼”旅遊區的必經之路。不大的小鎮到處可以看到“探索星空奧祕”,“打造天文小鎮”的標語。沿路幾乎每隔幾百米就有一家“天文賓館“,嶄新的五星級酒店還為每間客房配備了天文望遠鏡。大家期待的,不僅僅是一睹“天眼”的風采,更想通過這隻“眼睛”,去親眼看看那些遙遠的幻想與傳說。雖然,這些與當初選址的初衷多少都有些背道而馳。

對於FAST團隊來說,建設落成其實才只是一個開始,如何用好這隻巨大的“天眼”,看到渴望的風景,才是更加令人期待的未來。

克度鎮上應景的五星大酒店(攝影/明天)

 (編輯:Sol_陽陽;排版:甘蔗西西)

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