在人口稠密的上海,竟藏有亚洲最大的射电望远镜

作者: 乔琦

来源: 世界科学

发布日期: 2021-05-06 19:29:44

上海65米射电望远镜(天马望远镜)是亚洲最大的射电望远镜,位于上海天马山山脚下,高70米,重2700多吨,主反射面口径65米,面积约3780平方米。天马望远镜通过高精度面板单元和主动调整技术,克服了反射面形变带来的影响,大大提高了观测精度和效率。它能够360°转动,仰角最大变化90°,能主动观测大面积天区,与FAST及阿雷西博有显著区别。天马望远镜在“嫦娥”工程中担任“指路人”的角色,为探测器及月球车准确指引方向,并在射电天文观测研究中取得了诸多成果。未来,它将在我国的探月四期任务、探测火星任务、探测深空任务等重大工程中发挥重要作用。

在人口稠密的上海,竟藏有亚洲最大的射电望远镜。上海65米射电望远镜(天马望远镜)坐落于上海天马山山脚下。这座望远镜高70米,重2700多吨,主反射面口径65米、面积约3780平方米,相当于9个标准篮球场大小。天马望远镜使用了1008块高精度面板单元沿14圈拼装而成,其中最大的一块面板面积达到4.92平方米,最小的也有2.66平方米,且每块面板的单元精度都达到0.1毫米。

天马望远镜的主反射面就像一张大拼图画,由1008块大小不一、精度极高的小拼图准确拼接而成。这是国内大尺度高精度面板设计与制造技术的最高水平!天马望远镜主反射面使用了国内首创的主动调整技术。具体来说,就是在每四块面板单元相邻角下与天线背架结构的连接处安装一台促动器,工作时,由观测室的主控计算机根据天线实际形变情况实时控制各台促动器进行微调,以保证观测效率与质量。

这样的促动器共计1104台,每一台的定位精度都可以达到15微米,相当于一根头发丝直径的1/3左右。天马望远镜正是通过这种方式克服了反射面形变带来的影响,大大提高了观测精度和效率。上海65米射电望远镜可以360°转动,仰角最大也可以变化90°之多,能主动观测大面积天区。它可以跟踪观测当地地平线5°以上的所有天体和航天器,这是它与FAST及阿雷西博的显著区别之一。

后两者固定在某块区域,无法转动,也没有仰角变化,只能依靠地球的自转来观测不同天区,因而在观测面积和主动性上差了不少。上海65米射电望远镜建造于特制的钢筋混凝土地基上,安装了直径达到42米的方位钢轨;方位钢轨上还装有负责承接、驱动天线的方位滚轮和驱动装置。这就是望远镜能够360°转动,最高90°俯仰的关键所在。

为了保证观测精度,方位钢轨采用无缝焊接技术,由30段单根轨道全焊接而成,整个轨道平面度达到0.5毫米。换句话说,这么大的方位轨道,最高处与最低处的高度误差连大拇指指甲长度的1/4都不到!这就为望远镜的观测精度奠定了坚实基础。上海65米射电望远镜在所有波段都配备了高灵敏度致冷接收机,最大程度地降低了来自自身的热噪声,从而保证了灵敏度。

其实,除了上述技术难题之外,上海65米射电望远镜在研制过程中还碰到了各种大大小小的问题。我国科学家和工程师花费了巨大的心血、付出了巨大的努力才将其一一解决。在整个系统的研究和应用中,上海65米射电望远镜共获得专利30余项,发表论文100余篇。望远镜的最高分辨率达到了22″。上海65米射电望远镜已成为全球前三、亚洲最大、性能优越的全方位可动单孔径大型射电望远镜。

天马望远镜的落成,改变了国内只有中小型射电望远镜的局面,标志着我国射电天文学逐渐跻身国际领先水平。自2012年年末建成并投入使用后,上海65米射电望远镜迅即成为国内天文观测的一大利器。它的身影出现在了诸多重点工程之中,比如大家耳熟能详的“嫦娥”工程、“探火”任务。天马望远镜在“嫦娥”工程中主要担任“指路人”的角色,为探测器及月球车准确指引方向。

在2012年的“嫦娥二号”小行星探测任务、2013年的“嫦娥三号”月球软着陆任务、2014年的探月三期再入返回飞行试验器任务、2018年的“嫦娥四号”中继星和着陆巡视器VLBI测定轨任务、2020年的“嫦娥五号”VLBI测定轨任务中,上海65米射电望远镜都表现出色,很好地为“嫦娥”工程保驾护航。

VLBI就是英文Very Long Baseline Interferometry的首字母缩写,含义是“甚长基线干涉”技术。我们知道,望远镜的口径是越大越好,可是建造像天马望远镜这样65米口径的仪器已经很难了,那要怎么进一步大幅提高望远镜的有效观测口径呢?正是为了解决这个问题,VLBI出现了。

简单来说,具体实践方式是这样的:多台相距遥远的射电望远镜各自独立地同时在同一个波段观测同一个目标,然后再将这些数据汇总起来,加以干涉处理,获得结果。通过VLBI技术,有效观测口径就可以从单个望远镜的几十米、几百米,扩展到几千千米。

就拿指引“玉兔号”月球车展开月面探测的中国VLBI网来说,它由位于上海、北京、昆明、乌鲁木齐的射电望远镜构成,有效观测口径相当于3000多千米,从而大幅提高了观测精度和分辨率。那么,这个VLBI观测网究竟有多精准呢?玉兔号月球车的长宽高也就是一米多,而地球与月球更是相距38万千米之遥。可凭借我国的VLBI网,就可以在这么远的距离上,监测出玉兔号这个“小家伙”10厘米的移动,实在是太强大了!

而上海65米射电望远镜正是这个VLBI网的重要成员,它的存在让观测网灵敏度上升了42%。不光如此,它还是欧洲VLBI网的成员,使其灵敏度提高了15%~35%。它更是东亚VLBI网当之无愧的核心望远镜。除了服务国家航天任务之外,天马望远镜在射电天文观测研究(如分子谱线探测、脉冲星研究等)上也取得了诸多成果,例如:探测到了“北天周期最短的毫秒脉冲星”,发现了“银心磁星”具有周期跃变现象等。

毫无疑问,上海65米射电望远镜未来仍将在我国的探月四期任务、探测火星任务、探测深空任务等重大工程中发挥重要作用,也仍将在脉冲星观测、分子谱线观测、大质量恒星演化、活动星系核、X射线源乃至黑洞的相关研究中大展拳脚。除此之外,正是因为有了上海65米射电望远镜的成功研制经验和先进技术,110米口径全可动射电望远镜项目(QTT)也已经获批。该项目选址于新疆昌吉州奇台县,因而也叫作奇台望远镜。

奇台望远镜建成后,将成为世界上最大的全可动射电望远镜。“美国天眼”阿雷西博望远镜雄踞射电望远镜之巅足足半个世纪有余,如今却无奈惨淡收场。相较之下,我国的射电天文事业虽起步较晚,但靠着几代人的努力,终于凭借上海65米射电望远镜和FAST这两大天文观测利器,成功跻身世界一流之列。这些大国重器是中华民族智慧与汗水的结晶。

勤劳、勇敢、聪慧的中国人民也终将通过这些中华利器重现我国古代天文学曾经拥有的荣光,并由此开拓更为灿烂的未来。

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