.500米口径球面射电望远镜[J].中国科学院院刊,2012,(Z2):82-87.
500米口径球面射电望远镜
500米口径球面射电望远镜
科学背景
射电天文学利用射电望远镜在无线电波段“观察”天体。传统射电望远镜的基本结构有3个主要部分——反射面、接收机和指向装置。来自太空天体的无线电信号极其微弱,70年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,由于自重和风载引起的形变,传统全可动望远镜的最大口径只能做到100米。
由中国天文界提出建造的世界最大的单口径射电望远镜——500米口径球面射电望远镜(Fivehundred-meter-Aperture Spherical radio Telescope)采用了全新的设计思路并拥有3项自主创新:(1)利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址;(2)洼坑内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面,球冠反射面在射电电源方向形成300米口径瞬时抛物面,使望远镜接收机能与传统抛物面天线一样处在焦点上;(3)采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现接收机的高精度定位。
FAST突破了射电望远镜的百米极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式。它拥有约30个足球场大的接收面积,将是国际上最大的单口径射电望远镜。与号称“地面最大的机器”——德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高约10倍;与排在阿波罗登月之前、被评为人类20世纪10大工程之首的美国Arecibo 305米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。作为世界最大的单口径射电望远镜,FAST将在未来20—30年保持世界一流设备的地位。
工程历程
1993年国际无线电联大会上,包括中国在内的10国天文学家提出建造巨型望远镜计划,渴望在电波环境彻底毁坏前,回溯原初宇宙,解答天文学中的众多难题。在这一科学源动力驱使下,通过不断探索,中国天文学家提出了在贵州喀斯特洼地中建造500米口径球面射电望远镜的建议和工程方案。自1994以来以中科院国家天文台为核心,联合国内20余所大学和研究所的百余名科研人员,对贵州台址、主动反射面、光机电一体化的馈源支撑系统、高精度的测量与控制、接收机等5项关键技术开展了长达14年的合作研究。FAST立项前,项目组及其合作团队对建设FAST望远镜在技术方案上开展了多项工作:
1994年开始,现场考察、分析了400个洼地,制作了90个候选洼地的高分辨率(5米/像素)数字地形模型(DTM)图象,并最终选择贵州省平塘县的大窝凼洼地作为FAST台址;
1999年,“大射电望远镜FAST预研究”作为中科院知识创新工程首批重大项目立项,得到中科院及科技部支持;
2002年,中科院立项“FAST关键技术优化” 重要方向项目;
2005年,国家自然科学基金委启动了交叉学科重点项目“巨型射电天文望远镜(FAST)总体设计与关键技术研究”;
2005年9月,中科院组织召开了国家科技重大基础设施“FAST建议书专家评审会”,项目顺利通过评审;
2005年11月4日,FAST项目通过中科院院长办公会审议,正式启动立项申请工作;
2006年3月29日,根据中科院2005年11月4日院长办公会决议,基础科学局主持召开了“FAST项目国际评估与咨询会”。与会专家高度评价了FAST的科学意义和技术创新性,肯定了FAST关键技术的可行性,并建议尽快立项建设:“精良装备的FAST将为新的科学发现和突破天体物理学前沿热点问题提供独一无二的手段.....。评审委员会全体一致认为:令人激动的FAST项目无疑是可行的,并且建议尽快推动其进入下一步 —— 详细设计和建设”;
2006年11月,受国家发改委的委托,中国国际工程咨询公司(中咨公司)对国家重大科技基础设施FAST的项目建议书进行了专家评估;
2007年7月10日,国家发改委原则同意将FAST项目列入国家高技术产业发展项目计划,要求抓紧开展可行性研究工作,在条件具备后上报可行性研究报告;
2008年3月18日,受国家发改委的委托,中咨公司对国家重大科技基础设施FAST的可研报告进行了专家评估;
2008年10月,国家发改委批复了FAST工程的可行性研究报告;
2008年12月,FAST工程初步设计和概算通过中科院和贵州省人民政府组织的专家评审,举行了FAST工程奠基典礼;
2009年2月,中科院和贵州省人民政府批复了FAST工程的初步设计和概算。
2011年3月,FAST工程正式开工,工期约5年半,目前台址开挖主体工程已经完工。
主要科学目标
具有我国自主知识产权的FAST,是世界上正在建造及计划建造的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜,其综合设计体现了我国自主创新能力,其建设将推动众多高科技领域的发展,提高原始创新能力、集成创新能力和引进消化吸收再创新能力。它的建设与运行将促进西部经济的繁荣和社会进步,符合国家区域发展的总体战略。
FAST以接收面积为突破方向。望远镜的灵敏度(即探测暗弱天体的能力)与其口径(D)的二次方(D2)成正比,而其可探测宇宙空间的体积(即大约可探测的天体数目)与其口径的三次方(D3)成正比。其投入使用后,可观测的天体数目将大幅度增加,可为科学家提供更多更好的观测统计样本,可更可靠地检验现代物理学、天文学的理论和模型;它将搜寻到更多的奇异天体,其中蕴涵着大量新发现的机会。FAST的观测涵盖广泛的天文学内容,从宇宙初始混沌、暗物质分布与大尺度结构、星系与银河系的演化、恒星类天体乃至太阳、行星与邻近空间事件等的研究,都具有非凡的竞争力。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。除以下的研究方向,它的科学产出也许今天我们还难以预测。
巡视宇宙中的中性氢,研究宇宙大尺度物理学,探索宇宙起源和演化
氢是宇宙间最简单、最丰富的元素,它与宇宙大爆炸几乎同龄。“宇宙的百科全书是用微弱的21cm氢谱线写成的,要阅读它需要非常灵敏的望远镜。”其观测研究将回答星系及星系团演化与成因、暗物质空间分布及宇宙低峰扰动等天文学热点问题。同时,对中性氢分布的详细观测,还有可能揭示本星系群和附近物质的纤维状分布,为我们深入了解暗物质的分布和性质提供更多的线索。
观测脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律
脉冲星和脉冲双星的研究由于证认了中子星及间接证明引力辐射的存在,分别获1974年和1993年诺贝尔物理学奖。目前已发现脉冲星1 850余颗,毫秒脉冲星200余颗。脉冲星是极端物理条件下的实验室,是“星际介质的探针”。
理论估计银河系中应有脉冲星 6 万颗,已发现的大约占3%。目前新品种的脉冲星的数目还不多,而且它们往往是在现有设备的探测极限附近发现的。FAST具有高的灵敏度和大的天区覆盖,使用多波束馈源和1小时积分时间,将能用1年巡视时间发现数千颗新的脉冲星,有利于发现更多暗弱脉冲星、毫秒脉冲星、脉冲双星、双脉冲星系统、脉冲星行星系统、河外强脉冲星、非球状星团毫秒脉冲星等罕见品种。FAST的非积分高灵敏度特别适用于脉冲星偏振、单个脉冲等的研究,对星际介质做更精确的探测,揭示脉冲星辐射的成因。如果幸运,FAST 也许会观测到目前尚未发现而可能存在的新品种,如奇异星和黑洞双星等。
主导国际甚长基线干涉测量网,并获得天体超精细结构
射电天文学对望远镜分辨率的追求,最终发展成今天的甚长基线干涉测量VLBI。加入VLBI的两面天线可以隔洲跨洋,其角分辨率θ = λ/B,基线B可以有地球直径那么长,如果将天线送至太空将更长。现代全球VLBI网的分辨率已突破毫角秒,比其他所有的天文波段的分辨率至少高3个数量级。
国际VLBI网有欧洲网EVN、美国网VLBA和亚太网APT等。主要单元天线口径为20m-40m,最大为100m。如果FAST加入,由于其巨大的接收面积和地处所有联测网边缘的地域优势,可将灵敏度提高10倍,可成图的目标数增加1 000倍,将成为国际VLBI网俱乐部的“网主”。由FAST、地面100m天线和空间10m左右天线构成的VLBI系统,其灵敏度将比现有设备提高0.5—1个数量级。有可能以优于0.1个日地距离分辨能力,获得少数热谱源精细图像,从而研究恒星类天体的形成与演化。甚至直接为近邻双星系统和太阳系外行星成像。
探测星际分子,研究恒星形成与演化、星系核心黑洞以及探索太空生命起源。
20世纪60年代初,由于毫米波天文学的发展,在星际介质中观测到不同转动能级跃迁产生的分子谱线,这些分子中包括了蛋白质的基本化学元素C、H、N和O等。由此,射电天文学认为,前生命期复杂分子的发生可能不需要从零开始,分子天文学的奠基人Townes也因此荣获1964年诺贝尔物理学奖。迄今,已证认星际分子 140余种,其中有8种脉泽分子,包括50多条非热脉泽谱线。在银河系已发现几千个脉泽源,在河外星系中发现了106个OH超脉泽源和20多个H2O超脉泽源。
星际分子广泛存在于多种天文环境。约有 20%的分子谱线处于厘米、分米波段。FAST工作带宽内包含羟基(OH)、唯一的一条低频甲醇(CH3OH)和甲醛(HCHO)等 17种重要分子谱线。利用其高灵敏度,可对超强红外星系、高红移星系、活动星系和类星体进行OH、HCHO、CH3OH分子超脉泽的广泛搜寻。FAST的性能将可观测到更多OH超脉泽源,进一步研究超脉泽和星系类型的关系、超脉泽与核活动的关系、超脉泽和星系核相对论性外流的关系。在多波束模式下,用FAST做OH超脉泽的巡天工作,将增进我们对其光度函数的理解,为我们提供有关其起源的信息。CH3OH脉泽是河内最亮的射电点源,强出邻近OH脉泽近1个数量级,它的研究正成为示踪恒星及行星形成和研究吸积盘的重要工具。此外还可能发现高红移巨脉泽星系,研究宇宙早期演化。
搜索星际通讯信号,搜寻地外文明( Search for Extra—Terrestrial Intelligence, SETI)
人类从未停止过对是否存在地外文明这一问题的孜孜探求,而近年来取得的地球极限生命环境、存在地外水和太阳系外行星系统3项科学进展,又使SETI升温。
与地外文明通讯的唯一可行的方法是寻找来自地外的“人工”信号。主流SETI科学家认为,人类应将搜索集中在1-3GHz的无线电频率范围,尤其是21cm的中性氢线(HI)与18cm羟基线(OH)之间。 H与OH结合成水(H2O),因而这一狭窄频带又称为“水洞”。 水对地球生命是最基本的,地外的“水族”可能也会自然地通过水洞寻找同类。在诸多观测课题中,“凤凰计划”是最著名SETI巡视,它始于1994年,正使用目前世界上最大的天线——Arecibo望远镜对来自邻近的大约 1 000 颗类太阳星周围的无线电信号进行系统的搜索和证认。FAST具有更强的搜索能力和更远的搜索距离,期望会给我们带来更大的发现机遇。
其他应用领域
例如FAST将把我国深空测控及通讯能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘行星,能使目前我们的深空通讯数据下行速率提高2个数量级,强有力地支持我国未来载人航天、探月和深空探测计划,能应对深空飞行器在快速工程变轨和着陆时的测控需求。
建设内容
在贵州喀斯特洼地内铺设口径为500米的球冠形主动反射面,通过主动控制在观测方向形成300米口径瞬时抛物面;采用光机电一体化的索支撑轻型馈源平台,加之馈源舱内的二次调整装置,在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下,实现高精度的指向跟踪;在馈源舱内配置覆盖频率70MHz—3GHz的多波段、多波束馈源和接收机系统;针对FAST科学目标发展不同用途的终端设备;建造一流的天文观测站。为实现这一建设目标,我们需要完成以下6项主要建设内容:
(1)台址勘察与开挖:查清台址工程地质和水文地质条件,开挖清理洼地,使其满足望远镜建设的需要。
(2)主动反射面:建设上万根钢索和数千个反射单元组成的球冠型索膜结构,口径—500米, 球冠张角110°-120°,变形抛物面的均方差为5毫米。
(3)馈源支撑系统:建设公里尺度的钢索支撑体系,在馈源舱内安装并联机器人用于二级调整,最终调整定位精度为10毫米。
(4)测量与控制:建设洼地中基准网和基准站,激光全站仪和近景测量系统,百米距离测量精度2毫米。采用现场总线技术实现数千点自动控制。
(5)接收机与终端:研制高性能的多波束馈源接收机,频率覆盖70MHz-3GHz。研制馈源、低噪声致冷放大器、宽频带数字中频传输设备、高稳定度的时钟和高精度的频率标准设备等。配置多用途数字天文终端设备。
(6)观测基地建设:建立望远镜观测室、终端设备室、数据处理中心、各关键技术实验室、办公楼和综合服务体系等。
建设进展
自2011年3月25日FAST工程正式开工建设,工程各系统陆续进入实施阶段。陆续进入实施阶段。首先进入施工阶段的是台址勘察与开挖系统,在参建各方的共同努力下,历时近两年的FAST台址开挖工程通过四方验收。为改善现场施工条件,观测基地建设系统完成了进场道路一期建设工程,馈源塔基、地锚、圈梁等设备的基础工程施工目前已全面展开。中国科学院和贵州省人民政府签署了500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护备忘录,将以立法形式,设立FAST电磁波宁静区,确保FAST工程顺利建设、安全运行。
与此同时,工艺系统继续深化优化设计工作,部分已完成施工图设计,进入施工阶段:截至2013年1月初,完成FAST工程反射面单元吊装方案初步设计;委托大连华锐重工进行馈源支撑索驱动设计、制造机安装施工总承包,并完成第一阶段的评审;与北京万云科技开发有限公司签订防雷长期合作协议;馈源支撑控制方法优化与仿真合同通过验收;与中建工业设备安装有限公司签订FAST综合布线设计合同。电磁兼容方面,配合各系统工作,提交工艺设计的电磁兼容需求;推进与清华和54所的合作;开展电磁兼容测试。
FAST工程积极开展各项工程管理活动,完成了工程产品部件分解结构(PBS)和工作分解结构(WBS)的编写;针对FAST工程异地建设、工程难度大的实际情况,FAST工程成立了现场工程项目管理部,全面负责工程现场,并提供后勤保障服务。同时按期召开领导小组会议并参加大科学装置相关会议,与地方各级政府协调配合,及时解决工程中遇到的各项问题和困难。为更好地推进500米口径球面射电望远镜(FAST)工程建设,贵州省机构编制委员会办公室正式批复成立贵州射电天文台。