揭秘中國“天眼”:真能找到“外星人”?

什麼是中國“天眼”(FAST)?
 
世界最大球面射電望遠鏡(英文簡稱:FAST),又被形像的稱作中國“天眼”。
 
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正在中國貴州黔南安裝建設的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST),是目前世界上在建的口徑最大、最具威力的單天線射電望遠鏡。中國FAST工程辦公室稱,這一超級望遠鏡有望在2016年建成,建成後將成為世界級射電天文研究中心。
 
2015年11月21日上午,中國“天眼”核心部件“饋源艙”進行首次升艙試驗,6根鋼索拖動饋源艙提升108米,並進行相應的功能性測試。這標誌著整個工程即將進入尾聲。
 
 
什麼是射電望遠鏡?
 
一般的天文望遠鏡,只能觀測到其他天體發出的可見光,因此叫做光學天文望遠鏡。而在可見光的波段以外,還有許多其他波段的無線電波,它們無法被人眼直接感應為可見圖像,但同樣可以被接收和測量。射電望遠鏡,就是用來“觀測”從天空中各個方向發來的電波的一種天文儀器。它具有高定向性天線和相應的電子設備。因此有人說,射電望遠鏡與其稱它為望遠鏡,倒不如說是雷達接收天線。當然,通過後期的技術處理,射電望遠鏡所接受到的電波,也可以處理轉換成數據或圖像。
 
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用一般望遠鏡只能看到可見光現像,而射電望遠鏡則可以觀測到天體的射電現像。由於無線電波可穿透宇宙中大量存在而光波又無法通過的星際塵埃介質,因而射電望遠鏡可以透過星際塵埃觀測更遙遠的未知宇宙。同時,由於無線電波不太會受光照和氣候的影響,射電望遠鏡幾乎可以全天候、不間斷地工作。
 
射電天文望遠鏡的原理是用外形像鍋狀的天線,通過鍋的反射聚焦,把幾平方米到幾千平方米的信號聚攏到一點上,接收無線電波來確定位置和軌道。
 
 
中國“天眼”(FAST)長啥樣?
 
這只被譽為中國“天眼”的超級望遠鏡到底長啥樣?
 
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一口會動的超級“大鍋”
 
來到FAST所在地貴州平塘“大窩凼”,你會發現總面積達25萬平方米的反射面看起來像一口超級“大鍋”。總長度超過1.5千米的鋼圈梁,將上萬根鋼索牢牢固定住。
 
反射面單元面板將固定在上萬根鋼索上,安裝完成後整個反射面其實是懸在半空中的,有螺旋狀公路一直通達“凼”底,供車輛和人員維護設備時通行。反射面與地面之間的空隙今後還會恢復植被,保護環境。
 
這口500米口徑的大“鍋”,是口名副其實的“變形金鍋”。FAST的索網結構可以隨著天體的移動自動變化,帶動索網上活動的4450個反射面板產生變化,足以觀測到任意方向的天體,同時,饋源艙也隨索網一同運動,采集反饋信息。
 
FAST能夠把近30個足球場這麼大的接收面積裡收集的信號,聚集在藥片大小的空間裡。
 
FAST建成後的效果圖。
 
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中國“天眼”(FAST)有多大?
 
數說FAST:
 
7億元:工程投資超過7億元。
 
500米:FAST的口徑達500米,是目前世界建成和在建的最大單口徑球面射電望遠鏡。
 
30個:接收面積相當於30個足球場大小。
 
1600米和5600噸:整個鋼結構圈梁長度達到1600米,消耗鋼材5600噸,總工程量相當於1/4個“鳥巢”。
 
9000根和1300噸:FAST反射面索網結構,將由近9000根高精度高強度鋼索連接而成,在半空中形成1300噸重的鋼質索網。
 
4600塊:FAST反射面是由超過4600塊的主動反射單元拼裝在索網上,形成球形反射面。
 
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FAST的核心部件“饋源艙”是什麼?
 
饋源是指望遠鏡用來接受宇宙訊號的裝置系統,饋源艙用於安放這個系統。“如果把FAST比作一隻眼睛,那麼饋源就相當於它的視網膜,所有收集到的宇宙訊號都要彙集到這裡。”FAST饋源支撐系統總指揮孫才紅說。
 
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2015年11月21日,FAST的核心部件“饋源艙”進行首次升艙試驗,6根鋼索拖動饋源艙提升108米,並進行相應的功能性測試。
 
FAST望遠鏡饋源支撐系統的首次升艙試驗,是FAST工程的又一個重要裡程碑,這標誌著整個工程即將進入尾聲。
 
 
FAST有何特別之處?
 
FAST是目前世界上在建的口徑最大、最具威力的單天線射電望遠鏡,與號稱“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比,靈敏度提高約10倍;與被評為人類20世紀10大工程之首的美國Arecibo300米望遠鏡相比,FAST的綜合性能提高約10倍。
 
中科院國家天文台副台長鄭曉年表示,全新的設計思路加之得天獨厚的台址優勢,使FAST突破了射電望遠鏡的百米極限,開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式。作為世界最大的單口徑望遠鏡,FAST將在未來20至30年保持世界一流設備的地位。
 
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FAST的任務是啥?
 
中國電子科技集團公司產業部主任楊定江表示,FAST的設計技術方案除了在觀測中性氫線及其他釐米波段譜線,開展從宇宙起源到星際物質結構的探討、對暗弱脈衝星及其他暗弱射電源的搜索、高效率開展對地外理性生命的搜索等6個方面實現科學和技術的突破外,還將作為一個多學科基礎研究平台,有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,觀測暗物質和暗能量,尋找第一代天體。
 
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中國“天眼”的視野到底有多遠?
 
中國“天眼”的視野有多遠?據專家介紹,哪怕是遠在百億光年外的射電訊號,中國“天眼”也有可能捕捉到,還可能發現高紅移的巨脈澤星系,實現銀河系外第一個甲醇超脈澤的觀測突破;用於搜尋識別可能的星際通訊訊號,尋找地外文明等等。
 
“天眼”建成後,將有能力巡視宇宙中的中性氫、探測星際分子、觀測脈衝星、搜尋星際通訊信號。FAST作為一個多學科基礎研究平台,能用一年時間發現約7000顆脈衝星,研究極端狀態下的物質結構與物理規律;有希望發現奇異星和夸克星物質;發現中子星——黑洞雙星,無需依賴模型精確測定黑洞質量;透過精確測定脈衝星到達時間來檢測引力波;作為最大的台站加入國際甚長基線網,為天體超精細結構成像。
 
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為什麼選址黔南?
 
FAST把“家”安在了貴州省黔南州平塘縣克度鎮金科村的“大窩凼”。這裡是一個圓形的天然喀斯特窪地,正適合建造形如大鍋的FAST。
 
據介紹,早在1994年,FAST選址工作就開始了。科學家們根據衛星遙感影像,從400多個備選窪地中選出30多個進行實地考察,最終選定了“大窩凼”。
 
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用專家的話說,這個坑全世界獨一無二,“大窩凼”的球形窪地與FAST的球面設計十分貼合,這使得工程的土石方開挖量從平地狀態的3000萬方銳減到只有54萬方;另一個考慮是優良的排水性,“大窩凼”的喀斯特地質條件可以保障雨水向地下泄流,不在表面淤積而損壞望遠鏡。此外,“大窩凼”周圍矗立著5座山峰,附近5千米半徑之內沒有一個鄉鎮,25千米半徑之內只有一個縣城,屏蔽外界電波干擾的環境理想,且無重大自然災害記錄。
 
 
中國“天眼”能找到“外星人”嗎
 
FAST那麼靈敏,它能接收到遙遠的世界裡發過來的極其微弱的“外星人”的訊號,甚至找到“外星人”嗎?
 
在天文專家趙之珩看來,FAST建成後能夠接收到從宇宙深處發來的無線電波,會有一系列新的發現。射電波段的觀測,推動了地球人對宇宙的理解,如20世紀60年代四大發現:宇宙微波背景輻射、類星體、脈衝星和星際有機分子。現代天文學上的“兩暗一黑”(即暗物質、暗能量、黑洞)還存在著許多的謎團。FAST接受和放大它們發來的微弱信號,有助於揭開這些謎團。
 
中國天文學會會員、天津市天文學會理事史志成表示,FAST將探測宇宙中遙遠的訊號、物質,例如電磁波、微波、激光、宇宙中的各種氣體、有機物、星際物質、恆星等的輻射信息。它將對脈衝星、類星體等各種暗弱輻射源進行更精密觀測,對它們的物質結構、產生機制進行深入探索,有望對認識宇宙起源與演化過程作出貢獻。
 
2014年7月23日,贵州平塘,500米口径球面射电望远镜(FAST)工程,从底部眺望漫天星辰。FAST工程团队拍摄

2014年7月23日,贵州平塘,500米口径球面射电望远镜(FAST)工程,从底部眺望漫天星辰。FAST工程团队拍摄

 
“宇宙中的生命體或高智商‘外星人’若存在,他們的產生、遺留之訊息,若存在於浩瀚天宇中,也有可能被FAST探測並接收到。”史志成說。
 
 
FAST是如何誕生的?
 
據介紹,1993年國際無線電聯大會上,包括中國在內的10國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議,渴望探索宇宙,解答天文學中的眾多難題。
 
隨後,以北京天文台(現中科院國家天文台)為主,聯合國內20餘所大學和研究所成立了射電“大望遠鏡”中國推進委員會,提出建設“喀斯特工程”。
 
FAST工程的預研歷時13年,由中科院國家天文台主持,全國20餘所大學和研究所的百餘位科技骨幹參加此項工作。2007年7月FAST項目正式立項。2011年3月25日,FAST工程正式開工建設。中國FAST工程辦公室稱,這一超級望遠鏡有望在2016年建成,建成後將成為世界級射電天文研究中心。
 
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建設中國“天眼”的意義
 
FAST承載著中國射電領跑世界的光榮與夢想。
 
它“身段”極低,扎根在中國西南邊陲一片喀斯特窪地中。它“目光”高遠,能觀測百億光年外的星空。
 
中國天文學會理事長、中國科學院院士武向平表示,在天文觀測方面,中國長期以來在世界上沒有占據很前沿的位置。如果沒有觀測數據積累,總是用別人“二手的東西”,即使做了研究,也很難出彩。FAST建成後將彌補我國在觀測領域的不足。
 
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FAST是人類用極端手段探索遙遠的星空,因而在建設中使用了大量標準的工業模塊。這就需要科研人員強力攻關,不斷研發新技術。FAST需要把近30個足球場這麼大的接收面積裡收集的訊息,聚集在藥片大小的空間裡。大科學工程的嚴苛要求,推動了中國裝備製造能力的提升。
 
 
 
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