FAST有多厉害:你要是在月亮上打手机也能被侦测

人类关于宇宙新知的探索又迈进了一步。25日,有着“超级天眼”之称的500米口径球面射电望远镜将在贵州平塘的喀斯特洼坑中落成启用,吸引着世界目光。1609年,意大利科学家伽利略用自制的天文望远镜发现了月球表面高低不平的环形山,成为利用望远镜观测天体第一人。

400多年后,代表中国科技高度的大射电望远镜,将首批观测目标锁定在直径10万光年的银河系边缘,探究恒星起源的秘密,也将在世界天文史上镌刻下新的刻度。

宇宙到底有多大?这是人类秉承探索发现的天性不断追寻的问题。在发现未知地带的征程中,中国天文人将不畏艰苦、不断创新,奏响探索宇宙的新畅想曲。

“发现”的高手,大射电成我国天文学跻身世界一流的突破口

望远镜“锅盖”越大越灵敏,500米的“超级天眼”究竟有多灵敏?科学家打了个比方,有人在月亮上打手机,也逃不过它的“眼睛”。

而对老一辈天文学家来说,拥有这样的望远镜一直是个梦。我国天文学长期落后,主要受制于望远镜设备。

二战后射电天文学方兴未艾,接连涌现类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射四大天文发现,而我国在这一领域却长期处于空白状态。

走过蹒跚学步、仰望西方强国的阶段,近年来我国陆续建成5座射电望远镜,口径从25米到65米不等。不过,与美国的305米口径和德国100米口径射电望远镜相比,我们的射电望远镜观测能力还比较有限。

“天文设备按国际惯例都是开放的,但中国人要独立申请使用国外望远镜比较难。国内外设备差距比较大,缺乏平等合作的基础。”国家天文台“百人计划”研究员、500米口径球面射电望远镜工程科学部主任朱明说,只有走自主研制之路,才可以扭转这一局面。

“500米口径球面射电望远镜建成,将为我国天文学跻身世界一流创造条件。”中科院国家天文台台长严俊表示。

国家天文台射电天文研究部首席科学家、“千人计划”专家李?说,中国大射电在很多领域都具备超强的能力:发现气体星系有望在过去的基础上提高10倍,发现的脉冲星数量有望翻倍,有望发现新的星际分子……

射电望远镜诞生至今,人类发现约2500颗脉冲星,它们全部位于银河系内。科学家们将中国大射电首批观测目标锁定在银河系外,希望依靠其超群的灵敏度搜寻河外星系的脉冲星。

“发现更多脉冲星,从脉冲星中遴选出脉冲信号稳定的毫秒级脉冲星,将来有望应用于空间飞行器导航领域。”严俊说,目前国内外相关研究都处于概念阶段。

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从FAST反射面板内拍摄的天空(9月24日摄)。 新华社记者 欧东衢摄

拓宽科技维度,“天眼”联网才能洞穿宇宙迷雾

今天天文领域讲究立体化作战,仅有500米口径球面射电望远镜还远不够。从某一点看宇宙,视野有限,望远镜要形成阵列才能发挥更强威力。

“大射电擅长的观测频率是中低频,而高频的亚毫米波、毫米波领域也需要更强的望远镜,才能形成比较完备的观测体系。”朱明解释说。

按计划,500米口径球面射电望远镜将和我国其他5座射电望远镜组成“天眼”群——甚长基线干涉测量网,并主导国际射电领域的低频测量网,从而更好地获取天体超精细结构。

未来5至10年,大射电等项目只是我国大望远镜建设浪潮的前浪。据严俊透露,中国12米光学红外望远镜已初步通过专家评审,有望于“十三五”规划期间立项。

目前,我国最大的光学望远镜是位于云南丽江的2.4米光学望远镜,与国际上领先的西班牙10.4米光学望远镜、美国10米光学望远镜和日本8米光学望远镜等仍有较大差距。

12米光学红外望远镜建成后将为暗能量本质、引力波源光学认证和研究、太阳系外类地行星探测、超大质量黑洞、第一代恒星等前沿科学问题提供在国际上有竞争力的观测平台。

有红外望远镜,就有紫外望远镜和X射线望远镜,我国正计划把望远镜家族的基地拓展到空间领域。

今年年底,我国将发射自主研制的硬X射线调制望远镜卫星,它可以进行宽波段大天区X射线巡天成像,具有独特的观测黑洞、中子星等高能天体多波段X射线快速光变的能力,并可以监视天空的高能爆发现象。

“随着我国空间站逐步具备维护在轨航天器功能,建造中国版‘哈勃’太空望远镜的呼声也越来越高。”严俊说,立体化作战的望远镜集群,不仅将大幅提升我国在天文科学与技术方面的自主创新能力,还能广泛应用于导航、定位、航天、深空探测等领域。

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9月24日,工作人员从FAST的反射面板底部经过。 新华社记者 欧东衢摄

二十年“铸天镜”,开启射电天文学的“黄金时代”

天文学领域的技术看上去显得“高大上”,但实际上离我们的生活却很近:射电天文学家在研究中的副产品WLAN技术,成了今天每个人生活都离不开的WIFI技术的前身;天文学类地行星的研究,让我们有了与“来自星星的你”交流的灵感……

“古有十年磨一剑,今有二十年‘铸天镜’。国家加大对天文观测设施的投入,是综合国力提升的体现,也是工业制造水平的缩影。”中科院国家天文台500米口径球面射电望远镜工程副经理彭勃说。

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FAST一景(9月24日摄)。新华社记者 欧东衢摄

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工作人员对FAST的馈源舱进行施工(9月7日摄)。新华社记者 刘续摄

为了建造500米口径球面射电望远镜,我国天文学家等待了22年,研究和建设团队也从1994年以南仁东、彭勃为核心的5人小组扩展至上百人。

自主创新的同时,我国还参与多个国际合作的望远镜项目,包括世界上正在研制的两套新一代巨型望远镜——30米光学望远镜和平方公里阵射电望远镜。

30米光学望远镜拼接主镜将具备9倍于当今最大望远镜的集光能力,图像分辨率也将比当前所能达到的最高分辨率高3倍。根据不同观测目标和方法,它的探测深度将是现有望远镜的10至100倍。

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FAST工程全景(9月7日摄)。新华社记者 刘续摄

平方公里阵射电望远镜项目由两套先进的望远镜设备构成,一套是位于南部非洲的蝶形天线阵,另一套是位于澳大利亚的低频孔径阵列。蝶形天线阵由200面抛物面天线组成,看起来像“卫星锅盖”;低频孔径阵列由超过10万个偶极天线组成,看起来像“电视天线”。它们将被科学家用来观测宇宙“黑暗时代”,并搜寻地外文明的蛛丝马迹。

中科院国家天文台副台长郑晓年说,天文学研究和天文设施都是开放的,先进的天文设施建起来了,就需要优秀的研究团队。国家天文台正千方百计吸引国内知名专家和学者,利用大射电等先进望远镜开展前沿科学和应用技术的研究,争取早出成果。

“过去国内天文观测条件有限,我国天文学科发展相对较弱。”严俊说,随着天文观测设施的丰富,国内著名高校正在加强天文学科的专业建设,今后还要强化高校与天文观测台站之间的合作。

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平塘天文体验馆内的太阳系模型(9月23日摄)。新华社记者 刘续摄

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FAST在满天繁星下呈现出的美丽景观(6月27日摄)。新华社记者 刘续摄

关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、核心技术遭遇封锁……从预研到建成的22年时间里,我国老中青三代科技工作者克服了不可想象的困难,实现了由跟踪模仿到集成创新的跨越,也为更多人投身这项科学事业奠定了基础,点燃了人类向往太空的激情。

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从观景平台拍摄的FAST全景(9月24日摄)。新华社记者 金立旺摄

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9月24日,游人在FAST观景平台上留影。新华社记者 金立旺摄

“从孩子第一次抬头看到星星的那一刻,天文学其实就在他们心里埋下了种子。”李?说,希望天文学课程将来可以走进课堂,激发孩子们观察星空、探索宇宙的兴趣。

“天文学的发展,是全人类认识宇宙的智慧结晶。未来20年是射电天文乃至天文学的‘黄金时代’,不断增强的科技创新力,让我们拥有向宇宙更深处探索、实现前沿科学领域突破的信心。”彭勃说。(执笔记者:陈芳、齐健;参与记者:王丽、吴晶晶、骆飞、白国龙)

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