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FAST即将竣工,如何正确谈论贵州这个山一样大的望远镜?

   2019-06-04 15:11:11 作者: 来源:大发5分PK10

  六月以来,美国天文界哀音缕缕,300 米口径的阿雷西博(Arecibo)——全球现役最大球面射电望远镜,因为经费不足,恐遭关闭之虞。而与此同时,中国天文界凯歌高奏,500 米口径球面射电望远镜(FAST),在 7 月 3 日就将拼好最后一块反射面板,坐稳球面射电望远镜的头把交椅。老炮唱罢,新腕登场,河东河西的轮转,或许凭此可见一斑。

(阿雷西博望远镜)

  十几年筹备,五年半施工,这口金属大锅从科学家的大脑到贵州省的山坳,已经渊默如海地孕育了二十多年。今年九月,修满出山,巨鼎开锅,铺天盖地的宇宙电磁波就要涮起来了。这部长篇的断章谁都略晓一二,不过你想不想赶在九月竣工,媒体再次蜂拥前,给饭局提供一些更加有形有款,有里有面的谈资呢?比如:

  • FAST 是最大的射电望远镜吗?
  • FAST 即将拼好的“主动反射面”究竟是什么?如何极富创意?
  • 除了科研价值,大型天文工程还能为普通民众带来哪些好处?

  好了,聊完这三点,你在饭局上的知性达人形象估计就基本树立了。闲言少叙,锦囊如下。

  是最大的,也不是最大的

  按口径尺寸给望远镜排座次,评出最大,以示博识,此举在饭局上确实颇受垂青。然而,万一又有人人云亦云地说“FAST 是全世界最大的射电望远镜”,甚至加上一句,“之前最大的是阿雷西博”,坐在角落里的你,千万不要忘了补刀。

  你只需幽幽地说:“其实,最大的单个射电望远镜是前苏联的 RATAN-600,直径 576 米。”不过,也别忘加上一句:“当然,FAST 是球面射电望远镜里最大的。”

  不同种类的望远镜,各有最大。有时话说快了容易忽略种类限定,专业人士都难免。RATAN-600 是十分罕见的带形射电镜,非主流,影响小,但口径确实够大。FAST 和阿雷西博也是少见的球面射电镜,但主流,影响大。更多的射电镜是抛面的,口径要小不少,最大的绿岸(Green Bank)也只有 110 米。

  (RATAN-600)

  (绿岸望远镜)

  除了这些探测无线电射电镜,还有探测可见光的光学镜,口径就更小了。此外,单个望远镜还能被连起来,综合数据,组成阵列,形成一个虚拟的超大望远镜。这种阵列,有些纵横寰球,形成的虚拟镜,比起 RATAN-600,又大得不可以道里计。

  各类望远镜各有专攻,口径和性能并不完全相关,名垂天文史册的望远镜也不一定是当时最大的。

  总之,锦囊之一:FAST 不是最大的射电望远镜,但是最大的球面射电望远镜。

  一个巨碗,滚在一口大锅里

  找一个山谷,架起一口锅,在金属的巨耳里,听宇宙的呼吸。这些话拿到饭局上聊,似乎已经缺乏燃点。谁没看过《007?黄金眼》、《超时空接触》,甚至《异种》之流的香艳科幻片呢?阿雷西博望远镜架在波多黎各的青山翠谷中,已经五十余年,路人皆知。FAST 有什么,不就是一口大了 200 米的锅?

  不,不止于大,坐在角落里的你一定要说:“那口锅是死的,这口锅能动。”

  同样是在大圆坑边竖起圈梁,挂下支撑索网,再在索网上铺设几千块反射板,形成一个半球面。

  (FAST 的圈梁)

  (FAST 的支撑索网)

  (FAST 的反射面板拼接进行中)

  (FAST 的反射面板拼接完成)

  然而,阿雷西博的球面不能动,但 FAST 的能。

  这有什么区别吗?

  区别很大。抛面不同于球面:电磁波平行入射进来,抛面将其聚于一点,球面却只能聚于一线。而只有聚焦处,才能用馈源接收信号。

  于是,不能动的阿雷西博先用了一根巨棍状的馈源,沿焦线接收,效果不佳,后来升级为穹顶状的馈源,通过复杂的光路,将焦线间接聚为焦点接收,效果不错,却足有好几百吨重。

  (《007?黄金眼》中阿雷西博的棍状馈源)

  (《超时空接触》中阿雷西博的穹顶状馈源)

  这种麻烦,FAST 没有,因为 FAST 的球面下,有一套精妙的促动器系统,像从地面生出的 2000 多只大手,拉动支撑索网,也就拉动了反射板,让 500 米直径的球面各处,都可以局部变形为 300 米直径的抛面。

  (FAST 的促动器)

  于是,FAST 动起来了,眼观六路,视角不小,而且接收信号轻松很多,只用一个 30 吨重的小馈源就好。

  (FAST 的红顶馈源)

  此即所谓“主动反射面”技术,世所未见,是 FAST 的三大自主创新之一。

  总之,锦囊之二,套用 FAST 项目科学家的名言:“主动反射面”,就是让一个 300 米的碗,滚在一口 500 米的锅里。

  英雄迟暮,美人初妆

  美人初妆的 FAST 尚未登场,科学家早已兴冲冲地告诉你:有了它,我们可以探测脉冲星、中性氢、黑洞吞噬小天体,探索星体演化、宇宙起源、外太空智能生命,还能和遍布祖国各地的其它射电镜组成阵列,形成虚拟的超大望远镜……

  可是等等,饭局上肯定有人说:“除了外星人,都听不懂,这些大型天文工程,到底和我们这些平头百姓有什么关系?”

  不妨再看看英雄迟暮的阿雷西博吧。它发现双脉冲星,间接验证引力波,荣膺诺贝尔奖,以及更多天文学的丰功伟绩姑且不提,多少激动过普通人心灵的电影、剧集、唱片、旅行图册都借助了它史诗般的恢弘,已不胜枚举。

  如今资金难觅,阿雷西博面临退役,极端意见甚至包括爆破炸毁。在波多黎各,无数曾因它改变人生轨迹的年轻学生为此痛心,一个在阿雷西博城长大的非专业人士说:“我长大的过程中,一直知道,城南的山里,有伟大的科学正在完成。”

  它是一个国家的灵感和骄傲。

  总之,锦囊之三:相信这也是 FAST 将带给我们每个人的。

  出品:科普中国

  制作:银河路 16 号团队

  监制:中国科学院计算机网络信息中心


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