天眼.docx

中国天眼能做什么？ 2015年11月21日新闻播出，世界最大球面射电望远镜（英文简称FAST），又被形象的称作中国“天眼”。今天上午位于贵州平塘的中国“天眼”核心部件馈源舱起舱，这标志国家天文台FAST工程已完成重要节点，距离近期完工已经不远了。FAST核心部件馈源舱起舱世界最大球面射电望远镜FAST工程人员正在安装镜片国家天文台FAST工程副总工艺师孙才红介绍说，FAST望远镜馈源支撑系统的首次升舱试验，是FAST工程的又一个重要里程碑，标志着FAST工程馈源支撑系统正式进入六索带载联调阶段。中国“天眼”有多大？记者今天沿着FAST的圈梁走了一圈用了43分钟。“天眼”的“眼眶”是一圈钢铁结成的圈梁，登上圈梁往下看，巨大的天坑里，星罗棋布地排列着一个个“网结”。FAST的圈梁被50根6米到50米高低不等的钢柱支在半空，周长约1.6公里。FAST口径有500米，组成的球形反射面相当于30个足球场大小。国家天文台FAST工程技术人员介绍说，探听地球之外的音讯，“天眼”的能力和其大小息息相关。简单来说，眼睛越大，看得越远。尤其特殊的是，这只“天眼”并非“死眼”， FAST的索网结构可以随着天体的移动自动变化，带动索网上活动的4450个反射面板产生变化，足以观测到更大天区的天体，同时，馈源舱也随索网一同运动，采集天体发射的无线电波。如同人类转动自己的眼珠，调整视线的指向，遥远的太空对它来说将不存在方向上的死角。中国“天眼”的视野有多远？据专家介绍，哪怕是远在百亿光年外的射电信号，中国“天眼”也有可能捕捉到，还可能发现高红移的巨脉泽星系，实现银河系外第一个甲醇超脉泽的观测突破；用于搜寻识别可能的星际通讯信号，寻找地外文明等等。国家天文台副台长、FAST工程常务副总指挥郑晓年强调，“天眼”建成后，将有能力巡视宇宙中的中性氢、探测星际分子、观测脉冲星、搜寻星际通讯信号。FAST作为一个多学科基础研究平台，能用一年时间发现约7000颗脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；有希望发现奇异星和夸克星物质；发现中子星黑洞双星，无需依赖模型精确测定黑洞质量；通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波；作为最大的台站加入国际甚长基线网，为天体超精细结构成像。记者在采访中了解到，中国“天眼” 建成后，与号称“地面最大的机器”德国埃菲尔斯伯格100米口径望远镜相比，其灵敏度能提高约10倍；与被评为人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博300米口径射电望远镜相比，“天眼”的灵敏度是其2.25倍。大型射电望远镜能做什么？阿雷西博是是世界上目前最大的单台射电望远镜，直径350米，设在中美洲波多黎各（美国托管地）。这样一口硕大无朋的“锅”是没法像一般的射电望远镜那样随意转动的人们还无法让这样一个巨无霸既灵活转动又保持自身的形状不变。于是，人们干脆将计就计，把它安放在了一个山谷中。这个远远望去就像野餐用的铁锅的望远镜接受了很多非常宝贵的射电信息。当它正式投入使用的时候，还向武仙座发出了人类第一份有意识表达自己存在的电报。今天，阿雷西博仍然是天文学家非常重要的研究工具。人们所熟悉的“搜寻地外文明”计划(SETI)就是由阿雷西博执行的它全天候的接收来自地外（同样也来自地球，事实上地球上的干扰也占了很大一部分）的信号。阿雷西博射电望远镜 （Arecibo Radio Telescope）。它位于波多黎各的西南部的阿雷西博附近。望远镜是被建造在喀斯特地形（Karst terrain）凹地里的直径为305米（1000英尺）的一个碟形天线。这个碟形天线的表面超过20英亩，具有18英亩或者说18个足球场那么大的光圈。碟形天线可以反射 并将天空中微弱的信号集中在悬在正上方450英尺的接受天线上。由于碟形天线是固定的无法 转动，所以接受天线被装在一条弓形的轨道上，这样它们可以“观察”在他们顶点（正上方） 20度范围内的目标。这条弓形臂被安装在另一个环形的轨道上，可以让接收天线跟随由于地球 本身的自转而掠过天线上空的目标。这两种方式的移动可以使射电望远镜有能力扫描更多的一部分天空。阿雷西博观测站于1963年11月1日正式开幕，从那以后，有几千位科学家使用了它，也迎来了各种年龄各种职业的参观者。电影明星和好来坞电影制片人也常常光顾这里，拍摄了好几部不同题材的电影。阿雷西博射电望远镜主要的研究对象是类星体、脉冲星以及处在宇宙边缘的其它射电源。最激动人心的观测成果是1974年秦勒和赫尔斯发现第一个射电脉冲双星系统PSR191316。这是一个双中子星系统，轨道周期为7.75小时。根据广义相对论理论推算，这个双星系统的引力辐射十分强。引力辐射将导致双星系统轨道周期的明显变化。泰勒教授利用阿雷西博射电望远镜进行上千次的观测，获得这颗脉冲星20年的轨道周期值，证明观测结果与广义相对论计算结果符合得很好，终于证实了引力波的存在。泰勒和赫尔斯一起荣获1993年诺贝尔物理学奖，这也成为阿雷西博射电望远镜的骄傲。1991年，天文学家沃斯赞和弗雷尔用这个望远镜发现毫秒脉冲星PSR125712的行星系统，又一次轰动科学界。这是天文学家首次发现的太阳系外的行星系统，是一次重大的突破。太阳系空间探测和地外文明的搜索，射电望远镜是借助雷达技术发展起来的，而雷达后来也成为直接探测天体的一种手段，发展成一门新的学科雷达天文学。阿雷西博射电望远镜配备了一台强大的无线电发射机。巨大的天线具有非常高的方向性，使无线电波聚集成非常小的辐射束发射出去，定向发射可以使发射功率大大提高。无线电波碰上固体状物体后会被反射回来，但是回波的能量很小，需要灵敏度非常高的射电望远镜来接收。正是由于这个望远镜的特点，使其当仁不让地成为世界上最强大的雷达。为了探测月球、小行星、彗星、行星及其卫星，人们为其配备了一部波长为126厘米，发射功率为百万瓦的发射机和双偏振微波接收机。从接收到的目标反射回来的信号回波，可以获得被探测物的表面的图像。雷达探测的研究成果很广泛，也很显赫：测量出水星的自转和北极附近的“水冰”的环状结构；与格林班克100米射电望远镜组成雷达 世界上口径最大的阿雷西博射电望远镜干涉仪获得金星局部地区的高分辨率的地形图；以几百英尺的精确度为阿波罗登月船和海盗号确定在月球上最好的登陆地点；发现两个离地球很近的双小行星系，阿雷西博雷达还发现一些对可能威胁地球的近地小行星，并对它们进行监测。中国的“天眼”有什么特点？FAST工程由中科院国家天文台主持，全国20余所大学和研究所的百余位科技骨干参加此项工作。2007年7月FAST项目正式立项。2011年3月25日，FAST工程正式开工建设。世界最大球面射电望远镜将于2016年9月25日竣工。项目主管部门为中国科学院。“天眼”有以下主要的自主创新成果1、利用独一无二的贵州天然喀斯特洼地台址2、应用主动反射面技术在地面改正球差3、轻型索拖动馈源支撑将千吨平台降至几十吨1995年10月，在贵州召开了一个国际会议，段宝岩院士提出一种全新的500米口径球面射电望远镜设计方案，即用六根大跨度柔索，牵引馈源舱做高精度三维扫描运动，与美国305m口径的天线相比，重量由1000吨降至20吨。这个设计新方案被国际同行们激动地称为变革式的创新设计。因为这还只是方案与理论设计，实际工程中究竟行不行，其实他也没把握。后来，在国家自然科学基金面上项目与重点项目、北京天文台、中科院知识创新工程等项目的资助下，段宝岩带领的团队，先是建了大射电望远镜的5米模型，接着在沙井村建造50米试验天线。后来，又在西安电子科技大学南校区建造了可实现更多功能的50米试验天线。如今，500米大射电望远镜项目得到了国家大科学装置项目的支持，正式在贵州启动。在馈源支撑方面，段宝岩及其团队的前期研究工作，为这一工程起到了重要支持作用，重点解决了舱索柔性结构的精确力学建模和仿真，舱索柔性结构的控制，以及粗精两级调整系统的动力学耦合与复合运动控制等问题，实现了毫米级的动态定位精度。为这个口径500米，迄今为止世界上最大的单口径射电望远镜做的前期工作，只是我们结合实际工程开展研究的一个具体事例。我们的团队，很早就有重视硬件、重视项目和工程相结合的优良传统。段宝岩说，后来，我们又和南京14所搞雷达天线系统的CAD软件平台研发，以及和西安39所开展大型天线合作，直至最近应用到嫦娥一号、嫦娥二号卫星的40米口径天线，还有将用于4亿公里之外火星探测的位于佳木斯的65米口径天线，都是实实在在的具体工程，都必须出东西、见实物。我们在科研上始终坚持两个面向:一是面向国家重大需求。没有需求、不结合应用，科研就没有生命力，也就没有了实际意义。二是面向国际学术前沿。团队中的每一个人，包括博士生，都必须确立出了校门就是国门的观念。学者的研究成果代表的不仅仅是个人，是要到国际学术界立足的。这座巨大的望远镜外形与卫星天线相似，单口径500米，犹如一只巨大的“天眼”，将探测遥远、神秘的“地外文明”。千百年来人类大多是通过可见光波段观测宇宙。事实上，天体的辐射覆盖整个电磁波段，而可见光只是其中人类可以感知的一部分。该射电望远镜可以用来监听外太空的宇宙射电波，其中包括可能来自其他智能生命的“人工电波”；在电力充足的条件下，这只巨大的“天眼”还能发送电波信号，几万光年远的“外星朋友”将有可能收到来自中国的问候。据FAST工程办公室研究人员介绍，项目建成后，它将使中国的天文观测能力延伸到宇宙边缘，可以观测暗物质和暗能量，寻找第一代天体。其能用一年时间发现数千颗脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律。而且无需依赖模型精确测定黑洞质量就可以有希望发现奇异星和夸克星物质；可以通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波；还可能发现高红移的巨脉泽星系，实现银河系外第一个甲醇超脉泽的观测突破。FAST还将把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘，将深空通讯数据下行速率提高100倍。脉冲星到达时间测量精度由目前的120纳秒提高至30纳秒，成为国际上最精确的脉冲星计时阵，为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟。同时，可以进行高分辨率微波巡视，以1Hz的分辨率诊断识别微弱的空间讯号，作为被动战略雷达为国家安全服务。还可跟踪探测日冕物质抛射事件，服务于太空天气预报。FAST研究涉及了众多高科技领域，如天线制造、高精度定位与测量、高品质无线电接收机、传感器网络及智能信息处理、超宽带信息传输、海量数据存储与处理等。FAST关键技术成果可应用于诸多相关领域，如大尺度结构工程、公里范围高精度动态测量、大型工业机器人研制以及多波束雷达装置等。FAST的建设经验将对中国制造技术向信息化、极限化和绿色化的方向发展产生影响。射电望远镜基本原理经典射电望远镜的基本原理是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。射电望远镜表面和一理想抛物面的均方误差如不大于/16/10，该望远镜一般就能在波长大于的射电波段上有效地工作。对米波或长分米波观测，可以用金属网作镜面；而对厘米波和毫米波观测，则需用光滑精确的金属板（或镀膜）作镜面。从天体投射来并汇集到望远镜焦点的射电波，必须达到一定的功率电平，才能为接收机所检测。目前的检测技术水平要求最弱的电平一般应达 1020瓦。射频信号功率首先在焦点处放大101000倍并变换成较低频率（中频），然后用电缆将其传送至控制室，在那里再进一步放大、检波，最后以适于特定研究的方式进行记录、处理和显示。天线收集天体的射电辐射，接收机将这些信号加工、转化成可供记录、显示的形式，终端设备把信号记录下来，并按特定的要求进行某些处理然后显示出来。表征射电望远镜性能的基本指标是空间分辨率和灵敏度，前者反映区分两个天球上彼此靠近的射电点源的能力，后者反映探测微弱射电源的能力。射电望远镜通常要求具有高空间分辨率和高灵敏度。射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。射电望远镜的外形差别很大，有固定在地面的单一口径的球面射电望远镜，有能够全方位转动的类似卫星接收天线的射电望远镜，有射电望远镜阵列，还有金属杆制成的射电望远镜。1931年，美国贝尔实验室的央斯基用天线阵接收到了来自银河系中心的无线电波。随后美国人格罗特雷伯在自家的后院建造了一架口径9.5米的天线，并在1939年接收到了来自银河系中心的无线电波，并且根据观测结果绘制了第一张射电天图。射电天文学从此诞生。雷伯使用的那架天线是世界上第一架专门用于天文观测的射电望远镜。20世纪60年代天文学取得了四项非常重要的发现：脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子，被称为“四大发现”。这四项发现都与射电望远镜有关。天文望远镜的极限分辨率取决于望远镜的口径和观测所用的波长。口径越大，波长越短，分辨率越高。由于无线电波的波长要远远大于可见光的波长，因此射电望远镜的分辨本领远远低于相同口径的光学望远镜，而射电望远镜的天线又不能无限做大。这在射电天文学诞生的初期严重阻碍了射电望远镜的发展。1962年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的马丁赖尔（Ryle）利用干涉的原理，发明了综合孔径射电望远镜，大大提高了射电望远镜的分辨率。其基本原理是：用相隔两地的两架射电望远镜接收同一天体的无线电波，两束波进行干涉，其等效分辨率最高可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜。赖尔因为此项发明获得1974年诺贝尔物理学奖。目前射电天文学领域已经广泛应用长基线的干涉技术，将遍布全球的射电望远镜综合起来，获得了等效口径相当于地球直径量级的射电望远镜。美国建设了VLBA，欧洲建设了EVN，二者组成了国际VLBI网。根据天线总体结构的不同，射电望远镜按设计要求可以分为连续和非连续孔径射电望远镜两大类。主要代表是采用单盘抛物面天线的经典式射电望远镜。非连续以干涉技术为基础的各种组合天线系统。20世纪60年代产生了两种新型的非连续孔径射电望远镜甚长基线干涉仪和综合孔径射电望远镜，前者具有极高的空间分辨率，后者能获得清晰的射电图像。世界上最大的可跟踪型经典式射电望远镜其抛物面天线直径长达100米，安装在德国马克斯普朗克射电天文研究所；世界上最大的非连续孔径射电望远镜是甚大天线阵，安装在美国国立射电天文台。为了观测弱射电源的需要，射电望远镜必须有较大孔径，并能对射电目标进行长时间的跟踪或扫描。此外，还必须综合考虑设备的造价和工艺上的现实性。按机械装置和驱动方式，连续孔径射电望远镜（它通常又是非连续孔径的基本单元）还可分为三种类型。1.全可转型或可跟踪型可在两个坐标转动，分为赤道式装置和地平式装置两种，如同在可跟踪抛物面射电望远镜中使用的。2.部分可转型可在一坐标（赤纬方向）转动，赤经方向靠地球自转扫描，又称中星仪式（见带形射电望远镜）。3.固定型主要天线反射面固定,一般用移动馈源（又称照明器）或改变馈源相位的方法。射电观测在很宽的频率范围进行，检测和信息处理的射电技术又远较光学波段灵活多样，所以射电望远镜种类繁多，还可以根据其他准则分类：诸如按接收天线的形状可分为抛物面、抛物柱面、球面、抛物面截带、喇叭、螺旋、行波、偶极天线等射电望远镜；按方向束形状可分为铅笔束、扇束、多束等射电望远镜；按工作类型可分为全功率、扫频、快速成像等类射电望远镜；按观测目的可分为测绘、定位、定标、偏振、频谱、日象等射电望远镜。关于非连续孔径射电望远镜，主要是各类射电干涉仪。射电望远镜与光学望远镜不同，它既没有高高竖起的望远镜镜简，也没有物镜，目镜，它由天线和接收系统两大部分组成。巨大的天线是射电望远镜最显著的标志，它的种类很多，有抛物面天线，球面天线，半波偶极子天线，螺旋天线等。最常用的是抛物面天线。天线对射电望远镜来说，就好比是它的眼睛，它的作用相当于光学望远镜中的物镜。它要把微弱的宇宙无线电信号收集起来，然后通过一根特制的管子（波导）把收集到的信号传送到接收机中去放大。接收系统的工作原理和普通收音机差不多，但它具有极高的灵敏度和稳定性。接收系统将信号放大，从噪音中分离出有用的信号，并传给后端的计算机记录下来。记录的结果为许多弯曲的曲线，天文学家分析这些曲线，得到天体送来的各种宇宙信息。射电望远镜发展简史与现状1931年，在美国新泽西州的贝尔实验室里，负责专门搜索和鉴别电话干扰信号的美国人KG杨斯基发现：有一种每隔23小时56分04秒出现最大值的无线电干扰。经过仔细分析，他在1932年发表的文章中断言：这是来自银河系中射电辐射。由此，杨斯基开创了用射电波研究天体的新纪元。当时他使用的是长30.5米、高3.66米的旋转天线阵，在14.6米波长取得了30度宽的 “扇形”方向束。此后，射电望远镜的历史便是不断提高分辨率和灵敏度的历史。自从杨斯基宣布接收到银河系的射电信号后，美国人G雷伯潜心试制射电望远镜，终于在1937年制造成功。这是一架在第二次世界大战以前全世界独一无二的抛物面型射电望远镜。它的抛物面天线直径为9.45米，在1.87米波长取得了12度的 “铅笔形”方向束，并测到了太阳以及其它一些天体发出的无线电波。因此，雷伯被称为是抛物面型射电望远镜的首创者。1946年英国曼彻斯特大学开始建造直径66.5米的固定抛物面射电望远镜1955年建成当时世界上最大的76米直径的可转抛物面射电望远镜。与此同时澳、美、苏、法、荷等国也竞相建造大小不同和形式各异的早期射电望远镜。除了一些直径在10米以下、主要用于观测太阳的设备外还出现了一些直径2030米的抛物面望远镜发展了早期的射电干涉仪和综合孔径射电望远镜。六十年代以来相继建成的有美国国立射电天文台的42.7米、加拿大的45.8米、澳大利亚的64米全可转抛物面、美国的直径 305米固定球面、工作于厘米和分米波段的射电望远镜（见固定球面射电望远镜）以及一批直径10米左右的毫米波射电望远镜。因为可转抛物面天线造价昂贵固定或半固定孔径形状（包括抛物面、球面、抛物柱面、抛物面截带）的天线的技术得到发展从而建成了更多的干涉仪和十字阵（见米尔斯十字）。1962年 Ryle 发明了综合孔径射电望远镜并获得了1974年诺贝尔物理学奖。射电天文技术最初的起步和发展得益于二战后大批退役雷达的“军转民用”。射电望远镜和雷达的工作方式不同，雷达是先发射无线电波再接收物体反射的回波，射电望远镜只是被动地接收天体发射的无线电波.。20世纪50、60年代，随着射电技术的发展和提高，人们研究成功了射电干涉仪，甚长基线干涉仪，综合孔径望远镜等新型的射电望远镜射电干涉技术使人们能更有效地从噪音中提取有用的信号；甚长基线干涉仪通常是相距上千公里的。几台射电望远镜作干涉仪方式的观测，极大地提高了分辨率。六十年代末至七十年代初不仅建成了一批技术上成熟、有很高灵敏度和分辨率的综合孔径射电望远镜，还发明了有极高分辨率的甚长