世界上最大的射电望远镜将搜寻暗物质,侦听外星人

世界上最大的射电望远镜将搜寻暗物质,侦听外星人

DAWODANG,中国 -在中国西南部的锯齿状石灰岩山丘的壮丽景观中,工程师正在对一个宏伟的天文设施进行最后的修炼 :一个半公里宽的盘子坐落在一个自然的凹陷中,将收集来自宇宙的无线电信号。 世界上最大的射电望远镜将对脉冲星进行编目; 探测引力波,暗物质和快速无线电爆发; 并倾听来自外星文明的传播。

然而,巡回演出的建筑师对于他的望远镜可能捕获的内容感到不满。 “我真的对科学不是很感兴趣,我很遗憾地说,”五百米孔径球面射电望远镜(FAST)首席科学家兼首席工程师南仁东说。 同事们坚持认为他是在开玩笑,但毫无疑问,他生命中已经消耗了20年的时间 - 而现在让其他天文学家惊叹不已 - 是工程学。 “作为一项土木工程专长,FAST显然是惊人的,”美国国家射电天文观测台(NRAO)驻弗吉尼亚州夏洛茨维尔的前主任Fred Lo说。

这不仅仅是FAST的庞大规模 - 它的收集面积是波多黎各Arecibo的305米菜肴的两倍多。 FAST也在射电天文学领域开辟了新天地,其设计将球形天线的一部分拉成一个逐渐移动的抛物面,以便在地球旋转时瞄准并跟踪宇宙天体,从而将倾斜的天线转向固定天线。 澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)驻悉尼的射电天文学家迪克曼彻斯特说,这项创新“绝对是独一无二的,以前从未有人这么做过”。

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作为一名具有工程学风格的天文学家,南仁东领导了射电望远镜早期的大部分工作,并且是其首席科学家和总工程师。
中国科学院国家天文台

还有另外一个原因,楠还没有担心科学问题。 虽然贵宾们在贵州省举行的9月25日仪式上庆祝FAST完工,但望远镜尚未按计划运作。 Nan致力于解决最近发现的技术故障,这种故障阻碍了碟形塑造能力并限制了早期科学。 他说,为了让FAST实现其科学承诺,“我们还有很多工作要做。”

“毫无疑问,Nan从开始到结束都是FAST的主要推动力,”Lo说。 20世纪60年代中期,Nan在北京清华大学学习超高频电子学的大学生时代就是他的工程学。 在中国动荡的文化大革命期间,他在一家电子工厂工作了十年。 然后他回到学术界,获得博士学位。 中国科学技术大学合肥天文学和天体物理学专业。

FAST的长期酝酿始于20世纪90年代,当时Nan在中国的代表团中担任国际工作组,最终提出将Square Kilometer Array(SKA)作为下一代射电望远镜。 天文学家指望干涉测量技术的进步,将数十甚至数百个碟形天线的无线电波结合起来,从而形成一个远大于现有望远镜的收集区域。 在规划的早期阶段,中国争先恐后地主持SKA,建议在西南部省份的石灰岩洼地建造几个大型菜肴。 中国天文学家甚至将FAST的初步工作作为原型。

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C. Bickel / Science

相反,SKA的支持者选择了包含数千种小菜的设计。 中国在2006年被列入候选网站名单; 南非和澳大利亚的SKA第一阶段的建设预计将于2018年开始。他们的失望让Nan和他的同事们不顾一切地 。

天文学家李迪是一位FAST项目科学家,他曾在美国加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国宇航局喷气推进实验室工作,他说,单一菜肴在观测中子星等点源以及扫描多种频率以寻找外星智能方面表现优异。 另一个优点是,与阵列中的多个菜肴相比,单一菜肴“相对便宜且升级相对简单”,CSIRO的天文学家George Hobbs说。 “你只是继续建造更好的接收器。”

在国际评审小组批准FAST后,中国国家发展和改革委员会于2007年提供了9000万美元用于启动该项目; 一些机构的额外支持将资金增加到1.8亿美元。 Nan在FAST担任了大部分初步工作,2008年他被任命为首席科学家兼总工程师。 “传统上,这是两个工作,”李说,但他说,楠的实践经验和科学训练使他能够“与他的工程和科学帽子一起对资助机构说话。”

Nan已经知道在哪里制作菜 - 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部省份的400个候选洼地。 这个数字被淘汰,直到楠亲自检查了其中几个。 他回忆起徒步进入Dawodang洼地并抬头看到一个近乎圆形的天空景观,“就像是在井底。

“该网站是最好的网站,[但是]是最糟糕的建筑,”Nan说。 距离最近的高速公路只有数小时路程,沿着蜿蜒曲折的小路,穿过高耸的尖峰和小村庄。 FAST团队建​​造了一条7公里长的公路,将洼地与最近的城镇连接起来。 难以进入的设备限制了重型设备的使用。 “几乎所有事情都必须手动完成,”Nan说。 “非常忠诚的劳动者,”他说,在温度高达40°C的情况下承受了100公斤的负荷。 相比之下,他说,“在北京或上海建一座桥是件小事。”

他们非常接近取得绝对卓越的成就。

朱明,FAST项目天文学家

该团队在阿雷西博望远镜之后模拟了FAST。 两者都建在喀斯特洼地,并支撑在钢丝网上,像吊床一样悬挂在固定在石灰石尖顶上的支撑上。 和Arecibo天文台一样,FAST采用了一种不寻常的方法来聚焦传入的无线电波。

射电望远镜盘通常是抛物线形的,因为该形状将来自天文物体的波浪与抛物线的轴线对准到盘子上方的点。 望远镜的接收器或子反射器位于该点。 但是抛物线望远镜必须是可操纵的并能够指向天文物体并在地球旋转时跟踪它们,因为抛物面反射器会扭曲来自离轴目标的波。

Arecibo和FAST是不可能的,因为它们的巨大菜肴都固定在地面上。 因此两者都具有球形形状,允许它们从外轴来源收集和集中波而不关注点。 Arecibo通过改变接收器平台的位置来捕捉反射波来瞄准宇宙物体。 在平台内,复杂的镜像系统使它们成为焦点。 但这限制了可观测天空的切片与天顶相距约20°; 远离天顶,失真太大了。 校正系统还产生重约900吨的平台。 曼彻斯特说:“那个镜像系统和整个平台对于阿雷西博来说都是非常大的,对于快速而言,它将是巨大的。”

相反,Nan和他的团队设计了一个系统,将FAST球面反射器的直径约为300米的部分拉成一个微妙的抛物线,同时沿着抛物线的轴定位接收器。 “这就像在一个大锅里形成一个较小的碗,”李说。 抛物线的位置可以实时移动,因此当地球旋转时,抛物线轴始终瞄准感兴趣的宇宙物体,就像可操纵的射电望远镜一样。 FAST可以从天顶观察到最多40°。 而且由于它不需要复杂的纠正机制,其接收器平台可以容纳比Arecibo更多的仪器。

曼彻斯特说,制造一个有效的表面反射器“是一个大胆的举动。”为了使反射器变形,FAST有2225个执行器,基本上是高科技的绞盘,固定在碟子下方的岩石中。执行器通过拉动拉杆将碟子拉成抛物线 - 连接到碟形支撑网的下行电缆。当执行器放松张力时,网状物的天然弹性恢复了碟形的球形形状。安装在突出通过盘子的小柱子上的激光器检查其表面上的1000个点的坐标,允许微调形状。

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“比来自天空的信号强很多倍”,Nan说。 没有合适的市售屏蔽,因此他们开发了自己的屏蔽。

在施工前的最终设计审查中发现了另一个问题,当时工程师姗姗来迟地意识到反复压力和放松普通钢缆可能会导致疲劳失效,这种现象对于那些来回弯曲纸夹直到卡住的人来说都是熟悉的。 FAST团队通过使用中国开发的电缆解决了这个问题,该电缆具有高达200万次应力循环的抗疲劳能力,远远超过FAST电缆在望远镜30年设计寿命期间承受的300,000次循环。

1月份,大多数碟子的4450三角形反光板都在原位,但没有任何接收器可供使用,Nan让他的船员装上类似细长的鱼骨式电视天线的东西,并将其悬挂在碟子上。 随着无线电接收器的发展它是原始的,但FAST巨大的收集区域使它能够从Crab Pulsar获取信号,Crab Pulsar是蟹状星云中心的无线电源。 “令人惊讶的是,他们可以通过一个简单的天线做到这一点,”CSIRO的霍布斯说。

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巨型桁架上的一名工人围着快餐盘。
Alamy股票照片

对于Nan来说,测试是FAST的第一次测试,最初的科学观察标志着望远镜工作生涯的开始。 在关注蟹状星云时,楠把中国最早的天文观测中的一个变成了最新的天文观测之一:一千年前,宋代观察家注意到一个短暂的“客串星”,后来被钉住了创造星云的超新星。

但随着这道菜的建设进入了主场,另一个小故障出现了。 “执行器的爆破率高于预期,”李说。 该团队正在调查原因和可能的修复方法。

在西弗吉尼亚州NRAO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作用始终是一项挑战。 在Green Bank的100米可操纵盘上,用于抵抗重力效应的执行器“比我们想象的更加失败,”他说,因为水泄漏并冻结。 防水执行器令人头疼,因为它们在空中100米。 福特说,FAST工程师应该有更轻松的时间,因为他们的执行器可以从地面进入。

目前,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,并且只需捕捉地球旋转时可以发出的任何信号。 这将需要200天的漂移扫描观测来测量整个北方天空,他预计他们将发现多达1000个脉冲星,增加到现在已知的大约2500个。 天文学家使用这些由旋转中子星驱动的无线电信标来研究星际介质并探测引力波。 “我们将对脉冲星进行世界上最好的调查,”李说。

“最终我们将使望远镜完美地工作,”一位快速项目天文学家朱明发誓。 曼彻斯特同意:“他们非常接近取得绝对卓越的成就。”