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世界上最大的射电望远镜将搜索暗物质,聆听外星人

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DAWODANG,CHINA - 在中国西南部的一个令人惊叹的锯齿状石灰岩山丘的景观中,工程师们正在对一个宏伟的天文设施进行最后的修改:一个半公里宽的天然洼地,收集无线电信号宇宙。世界上最大的射电望远镜将编目脉冲星;探测引力波,暗物质和快速射电爆发;并聆听外星文明的传播。

然而,巡回展览的建筑师对于他的望远镜可能捕捉到的东西充满怨言。 “我真的对科学不是很感兴趣,我很遗憾地说,”这里的首席科学家兼五百米孔径球面射电望远镜(FAST)的首席工程师南仁东说。同事们坚持认为他在开玩笑,但毫无疑问,他已经度过了二十年的生活 - 现在正在赞叹其他天文学家 - 是工程学。弗吉尼亚州夏洛茨维尔的美国国家射电天文观测台(NRAO)前主任弗洛德说:“作为土木工程的壮举,FAST显然是惊人的。

这不仅仅是FAST的绝对规模,它还是波多黎各Arecibo亚军305米盘亚军的两倍以上。 FAST也在射电天文学领域开创了新天地,其设计将球形天线的一部分拉成逐渐移动的抛物面,以便在地球旋转时瞄准并跟踪宇宙物体,将倾斜天线转向固定天线。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)驻悉尼的电台天文学家迪克曼彻斯特说:“这种创新”绝对是独一无二的,以前从未有人这样做过。 

Nan还没有担心科学的另一个原因。尽管贵宾们在9月25日的贵州省仪式上庆祝了FAST的完成,但望远镜尚未按计划运作。 Nan专注于解决最近发现的一个技术故障,它妨碍了碟形成功能和限制早期科学。为了让FAST实现其科学承诺,他说:“我们有很多事情要做。”

“毫无疑问,Nan始终是FAST的主要推动力,”Lo说。 Nan的工程专业从他在本世纪60年代中期在北京清华大学学习超高频电子学的日子开始;在中国动荡的文化大革命期间,他花了十年在电子工厂工作。然后他回到学术界,获得博士学位。来自中国科学技术大学天文与天体物理专业。

FAST的长期孕育始于20世纪90年代,当时Nan代表中国代表团前往国际工作组,最终提出将方阵公里(SKA)作为下一代射电望远镜。天文学家们依靠干涉测量技术的进步来结合数十甚至数百个天线的无线电波,从而创造出比任何现有望远镜都大得多的收集区域。在规划初期,中国竞相主办SKA,建议在西南各省的石灰石洼地建立几道大盘子。中国天文学家甚至将FAST作为原型进行了初步研究。 

取而代之的是,SKA的支持者选择了一种具有数千种小盘子的设计。 2006年中国从候选地点名单中被淘汰;南非和澳大利亚SKA第一阶段的建设预计将于2018年开始。由于他们的失望,Nan和他的同事们推动中国建立FAST。

FAST项目科学家,天文学家李迪曾在美国宇航局喷气推进实验室工作,他在加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室工作,他说,单一的碟子在观察点源如中子星和扫描大量频率以寻找外星智能方面表现优异。另一个优点是,与排列中的多个菜肴相比,单个菜肴“相对便宜且相对简单地升级”,CSIRO的天文学家乔治霍布斯说。 “

经过国际评估小组认可FAST,中国国家发展和改革委员会在2007年提供了9000万美元启动该项目;来自几个机构的额外支持 将筹资额增至1.8亿美元。 Nan领导了FAST的大部分前期工作,并于2008年担任首席科学家兼首席工程师。 “传统上,这是两份工作,”李说,但是,他说,楠的实践经验和科学训练,让他能够与他的工程和科学帽子谈论资助机构。“

楠已经知道在哪里建立这道菜他知道这并不容易。在20世纪90年代,卫星调查确定了中国西南省份的400个候选低压。这个数字被剔除,直到南亲自检查了其中的几个。他回忆说,他正在远足进入Dawodang洼地,抬头看到一个近乎圆形的天空,“就像在井底一样。 “这个网站对FAST来说是最好的,但是对建设来说是最糟糕的,”Nan说。距离最近的高速公路几小时,穿过高耸的尖塔和小村庄,穿过狭窄的道路。 FAST团队建​​造了一条连接萧条和最近城镇的7公里道路。困难的通路限制了重型设备的使用。 “几乎所有事情都必须手动完成,”楠说。 “非常投入的劳动力,”他说,在高达40°C的温度下承担了100公斤的负荷。相比之下,他说:“在北京或上海搭桥是件小事。”

该团队使用Arecibo望远镜模拟FAST。两者都建在喀斯特凹陷处,并且支撑在钢索网格上,就像吊床上的悬挂固定在石灰石尖顶上的支撑一样。就像Arecibo天文台一样,FAST采用了一种不同寻常的方法来聚焦入射的无线电波。

射电望远镜天线通常是抛物线形的,因为这种形状将来自天文物体的波形与抛物线轴一致地聚焦到天线上方的一个点。望远镜的接收器或副反射器位于该点。但抛物面望远镜必须是可操纵的,并且能够指向天文物体,并在地球旋转时跟踪它们,因为抛物面反射体会扭曲来自离轴目标的波。

Arecibo和FAST是不可能的,因为他们的巨大盘子固定在地面上。因此两者都具有球形形状,使他们能够收集和集中来自传染源的波,而不会集中在一个点上。阿雷西博通过改变接收器平台的位置来捕捉反射波,从而瞄准宇宙物体。在该平台内,一个复杂的镜像系统将其引入了焦点。但是,这将可观察到的天空切片限制在距天顶约20°处;离天顶越远,失真就越大。校正系统还产生了一个重达900吨的平台。 “这个镜像系统和整个平台对阿雷西博来说都是非常重要的,对FAST来说这将是巨大的 - 而且很重,”曼彻斯特说。

取而代之的是,Nan和他的团队设计了一个系统,将FAST的球面反射器的直径约300米的部分拉成细微的抛物线,同时将接收器沿着抛物线的轴线定位。 “就像在一个大锅里放一个小碗一样,”李说。抛物线的位置可以实时移动,因此抛物线轴始终针对地球旋转时感兴趣的宇宙物体,就像可转向射电望远镜一样。 FAST可以观察到距天顶高达40°。而且由于它不需要复杂的纠正机制,它的接收机平台可以容纳比Arecibo更多的工具。   “为了使反射镜变形,FAST有2225个致动器,基本上是高科技绞车,它们被固定在碟子下方的岩石中,致动器通过拉动抛物线盘成为抛物线在连接到碟子的支撑网格上的束缚电缆上,网格的自然弹性恢复了碟子的球形,当致动器释放张力时,安装在突出通过碟子的小柱上的激光检查其表面上的1000个点的坐标,调整形状

为了使这个系统工作,工程师解决了许多挑战,对于初学者来说,执行器发出的无线电干扰比“天空信号强多了”,Nan说,没有合适的商业上可用的屏蔽,所以他们自己开发

另一个问题是在施工前的最终设计审查期间发现的, 当工程师迟迟没有意识到反复强调和放松普通钢缆可能会导致疲劳失效时,这种现象对于任何人将来回弯曲回形针直到其卡住时都很熟悉。 FAST团队通过转向中国研制的耐疲劳应力高达200万应力周期的电缆解决了这个问题,远远超过了FAST电缆在望远镜30年设计寿命期间所能承受的300,000个周期。

在1月份,该碟的大部分4450三角形反光板已经就位,但没有一个可用的接收器,Nan让他的工作人员安排了一种类似鱼刺的电视天线,并将其悬挂在碟子上。随着无线电接收机的发展,它变得很原始,但FAST庞大的收集区域使它能够从螃蟹星云中心的螃蟹脉冲星收集信号。 “CSIRO的霍布斯说,”他们可以用简单的天线来做到这一点令人惊讶。

对于Nan来说,测试是FAST的第一个光线,这是最初的科学观察,标志着望远镜工作生活的开始。在关注螃蟹星云时,楠把中国最早的天文观测之一变成了其最新的一个:一千年前,宋代观察家注意到一个短暂的“客串星”,后来被定义为创造星云的超新星。

但随着盘子的构造进入家中,另一个小故障也出现了。 “执行器的分解速度比预期的要高,”李说。该团队正在调查原因和可能的修复。

在西弗吉尼亚州NRAO的绿色银行天文台负责电子设备的约翰福特说,让大望远镜充分发挥潜力始终是一项挑战。他说,在绿色银行的100米可操纵盘上,用来抵消引力效应的执行器“在我们的路上失败的次数超过了我们的预期”,他说,因为水正在泄漏并冻结。致动器的防水是一个令人头疼的问题,因为它们在空中100米。福特说,FAST工程师应该有一个更容易的时间,因为他们的执行器可以从地面进入。

现在,李说FAST操作员将使用他们的工作执行器将反射器的一部分保持在抛物线中,将其指向天空,并在地球旋转时捕捉任何可能的信号。这将需要200天的漂移扫描观测来观测整个北部的天空,他预计他们将发现多达1000个脉冲星,加上现在已知的2500个脉冲星。天文学家使用由旋转中子星驱动的无线电信标研究星际介质并检测引力波。 “我们将进行世界上最好的脉冲星调查,”李说。

“最终我们将使望远镜完美工作,”FAST项目天文学家祝明朱铭。曼彻斯特同意道:“他们非常接近取得绝对卓越的成就。”

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