武向平院士中国天眼FAST最终将被世界巨眼所代替

武向平院士中国天眼 FAST最终将被世界巨眼所代替 新浪科技 2018-06-01 11:50来源:科学大院微信公众号 (本文由科学大院根据武向平院士在中科院第十九次院士大 会上的报告整理而成，首发于科学大院)两年前，中国科学院 国家天文台在贵州成功建成了世界上最大的单口径射电望 远镜 FAST，口径 500 米，大家常把它叫做“天眼” ，面积有 30 个足球场大。FAST于 2016 年 9 月建成，目前正在调试， 尚未正式工作。 但在网上有大量关于 FAST重大发现的传说， 这些所谓的重大发现都是不靠谱的。FAST:单口径射电望远 镜的终结者 FAST的真正用途是科学研究，在调试阶段，它 第一次在中国国土上发现了脉冲星。脉冲星是自转的中子 星，非常致密，直径大概十公里。中子星在 1967 年被科学 家发现， 50 年之后我们终于在自己的国土上用一口五百米的 “锅”把它看见了。天文望远镜为什么要选择射电波段作为 工作波段呢?从下图可以看出，在无线电波段的整个波谱中， 射电波段的大气不透明度为零，也就是说所有波段里面只有 射电波段在地面上可以直接进行天文观测，不需要到山上， 也不需要到太空去。全球无线电波段是唯一可以实现洲际联 网观测的，这样的话，全球的射电望远镜可以连成一个网， 只要没有干扰就可以工作。到目前为止，四项射电波段的重 大发现获得了诺贝尔奖， 其中包括 1)脉冲星的发现;2)两个脉 冲星绕转产生的引力波辐射的发现;3)大爆炸火球遗迹的发 现;4)宇宙微波背景辐射微弱涨落的发现。射电天文学的研究 始于 1931 年，当时人们建了一个轮子，轮子上面放一个 9.5 米直径、可以转动的天线，使人类第一次看到了来自太空的 无线电辐射。1937 年，人们造出第一口“锅” ，口径 9.5 米。 它的工作波段正好位于调频广播波段，使人们第一次绘制出 了银河系图像，尽管非常粗糙。现在“锅”越来越大，德国 和美国都曾研制了最大口径 100 米的可转动射电望远镜。而 世界上曾经存在的最大的可动射电望远镜口径达 305 米，自 1961 年建成后， 它发现了大量成果， 包括诺贝尔奖级的发现， 现在这个“锅”锈迹斑斑基本不能工作了。55 年以后，我们 建造出 FAST这样一个口径达 500 米的射电望远镜，可谓是 建筑史上的奇迹。在这里也向工程的缔造者和建设者表达最 崇高的敬意。由于建造难度巨大，再加上射电望远镜建造观 念的变化，FAST将成为单口径射电望远镜的终结者。干涉 阵列带来射电望远镜建设革命为什么建 FAST这么大的望远 镜?射电望远镜追求的是高灵敏度--能够收到更多光子，高分 辨率--能够看的更加清楚，大视场--能够看的更多的目标。高 灵敏度就需要大接受面积，高分辨率就需要大口径，大视场 反而需要小的口径。FAST口径大，灵敏度高，可以观测到 微弱的信号。缺点一是分辨率低，看得远却看不清，在最好 的工作波段只有3角分， 人眼的分辨率是1角分;二是视场小， 能够看到非常暗弱的天体，目前无法实现多目标同时观测。 为了解决射电望远镜设计上的缺陷， 早在 1946 年 Martin Ryle 想通过射电干涉以解决这一个问题，他的这一想法获得了诺 贝尔物理学奖。射电干涉阵列其实就是把一堆小的天线堆在 一起，每个天线都可以接收光子，所有光子叠加起来，灵敏 度就提高了。由于望远镜的视场由单一口径望远镜决定，所 以小望远镜可以看到更大范围。同时，布设望远镜时距离拉 开，可以使分辨率提高。这个想法可以很好地解决望远镜中 很多的设计问题，因此获得了诺贝尔物理学奖。干涉阵列思 想示意图我们试想下，如果把 FAST分解会发生什么事儿? 你会发现， 它的灵敏度没有变， 因为面板一样大;分辨率提高， 因为距离拉开了;同时视场变大，因为视场是每一个单块决 定，于是把望远镜分解反而更好。1946 年干涉阵列思想提出 之后，世界上出现了很多大大小小的干涉阵列望远镜，遍布 全球，解决了很多问题。美国首先将自己国土上的望远镜连 起来，形成了长基线干涉。欧洲联合南非、中国等国家，组 成了跨全球工作的望远镜阵列(EVN)。东亚的望远镜也连在 一起，形成VLBI 系统。我国的望远镜也组成了VLBI 系统， 在乌鲁木齐、昆明、上海和北京都有布设，为探月工程发挥 了重大作用。 中国望远镜 VLBI 系统 SKA:完全数字化的望远 镜目前全世界的望远镜是可以连起来组成网络的。可以说地 球直径有多大，望远镜分辨率就有多高。既然所有的望远镜 都连起来了， 为什么还要再建望远镜呢?原因很简单。 因为望 远镜分布在全球各地，望远镜工作时依赖原子钟计时。它在 观测同一目标时既要记录信号也要记录时间。不同的时间在 干涉研究前要事先转换，影响效率。另外，所有的望远镜都 是靠机械转动来跟踪目标。过去的雷达是靠机械转动跟踪目 标，而现在的雷达已经发展到线控雷达，即雷达不动就可以 跟踪目标，可以用数字线控指向跟踪目标，提高观测效率。 天文学家就在想，能不能把望远镜的传统干涉技术加上线控 雷达技术来建造一台信息化时代的射电望远镜，这就是我们 要讲的平方公里望远镜(Square Kilometer Array ， SKA)。世 界上 10 个国家组成了平方公里阵列射电望远镜国际组织， 中国是成员之一。10 年前，人们希望投入 65 亿欧元把这个 望远镜建设起来，但是现在看来远远不够。下面结合视频给 大家讲讲 SKA 的组成。SKA 的组成大家首先看到是“锅” ， 每个大小 15 米。看着很壮观，15 米大小的锅建 2500 个，组 成了一个 5 公里的中心致密阵列，再延伸到 3000 公里组成 一个更大的场景极限。中心部分有三种天线，第一种在高频 波段工作，第一批天线由位于石家庄 54 所造出来，这种天 线要转动跟踪目标的。为了扩展工作波段到低频，还有第二 种和第三种天线。第二种天线是大量非常简单的偶极天线， 有多少?每个 station 有 250 个，一共是 512 个 station，总数 是 130 万个。第三种是中频波段工作的天线，完全相控雷达 致密阵列天线，每块板子的面积是 3 米*3 米， 96 个板子组 成一个 station，共 250 块，接收面积非常巨大。不仅中心部 分的望远镜摆得非常致密，三种不同的望远镜还要延伸出 去，随着基线延伸每一种天线都摆在不同位置，组织干涉时 分辨率非常高，干涉的臂长设置成螺旋形，基线最长 3000 公里。 SKA 由小天线实现非常大的视场--可达 30 度。 它由非 常多的阵列小天线组成，实现了高灵敏度，同时用非常长的 基线实现了高分辨率。根据目前的时间表，SKA 的建设分两 个时间段，首先建 10%的 SKA1，明年开始建设，先建 13 万只小的天线，200 口“大锅” ，到 2025 年建成第一批后再 完成剩下 90%， 建 130 万只天线， 250 个致密阵， 2300 口 “大 锅” ， 2030 年全部完成。 建在什么地方?我们定在非洲 9 国(中 心在南非)和澳大利亚的西部。为什么选择这些地方?因为这 些地方比较荒凉，而荒凉的地方是天文学家喜欢去的地方， 没有干扰，非洲经济还不发达，澳大利亚西部