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作者/吳一千
中國天眼全稱500米口徑球面射電望遠鏡(英文簡稱FAST),是世界上最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡,在中國天眼之前,稱為世界之最的是美國的300米口徑阿雷西博望遠鏡(Arecibo),在1974年建成後的50年裡,一直無人超越,直到中國天眼出現。
中國天眼的建設耗資耗時,自1994年由我國天文學家南仁東提出設想以來,經歷了22年風雨才建成,共耗資近6.67億元人民幣,建設面積28000平方米,直到2020年1月份才通過國家驗收,正式使用。這是一個非常宏大的工程。
從高空俯瞰中國最大射電望遠鏡"天眼",它的形狀如同一口湯鍋,放幾個餃子也毫不違和,因此不少人可能都會問:假如遇上大暴雨,會不會填滿?中國天眼如何排水?
中國天眼的地勢和結構決定了它無法存水
中國天眼位於貴州省平塘縣克度鎮大窩凼的一處喀斯特窪坑中,因為中國天眼是球形的,並且直徑有半公裡,形似一個大碗,之所以選擇這樣的"碗形"地貌,就是為了減少開挖的土方量,省錢。
經過相關團隊考察,大窩凼地形主要為喀斯特地形,以可溶性巖石為主,經過長期的雨水或地下水衝刷,早已經形成了大量地下河以及溶洞,所以根本不用擔心中國天眼被雨水淹沒,甚至形成堰塞湖。這種地形的缺點是地表存不住水,所以無法種糧食,但沒想到"變廢為寶",特別適合中國天眼。
中國天眼即使海平面上升也不會淹沒,因為其最低點大概就1200米,這意味著高出海平面1200米,而海平面上升1200米是不可能的,假如真的到了那一天,人類能否繼續生存都成了問題,哪裡還有心思探索太空呢?
中國天眼最主要的部分,即"大鍋"部分,是由4450塊反射單元拼接的,如果靠近看,反射單元並非實心,而是在上面布滿了密密麻麻有規律的小孔,小孔的大小是經過專門設計的,有排水的作用,其他作用是減輕重量,透光,通風。
中國天眼有什麼用?為什麼這麼大?
使用過衛星鍋或者天線都知道,如果把電視調到沒有信號的頻道,屏幕上就會出現雪花加嗡嗡的噪音,這些信號大約有1%是來自宇宙深處的電磁波信號,是宇宙大爆炸後的殘留信號。跟衛星鍋類似,中國天眼用於探索宇宙深處的信號。
大鍋能比小鍋接收到更多臺,信號質量也更好,射電望遠鏡與此類似。自1931年美國天文學家在自家後院搭起第一架9.5米的射電望遠鏡算起,全世界所有的射電望遠鏡所採集的能量,連一張紙都翻不動。中國天眼面積相當於30個標準足球場,有利於捕捉宇宙中微弱的信號。
中國天眼主要有兩大目標,分別是巡視中性氫和探索脈衝星。中性氫就是不帶電的氫原子,但是只有原子躍遷才會發出能量,但中性氫沒有電磁波發出,怎麼檢測呢?其實處於基態的中性氫會有一定機率產生自發躍遷現象,此時會散發能量被我們捕捉到。
因為氫原子結構簡單,只有一個質子和一個電子,宇宙形成之初質子電子相互結合,因此產生了大量的氫原子,氫原子也是宇宙中最豐富的物質。通過探索中性氫的分布,我們可以摸清宇宙的質量和結構。
脈衝星的產生是因為高速旋轉的中子星從磁極不斷放射出高能輻射,類似燈塔一樣,每轉一圈就是一個周期,脈衝星也有這樣的周期,我們對此主要有兩種應用。
對多個脈衝星進行觀測,可以建立脈衝星計時陣,這是自然界存在的一種非常準確的時鐘,在毫秒級可以媲美原子鐘。
可以這樣說,在地球靠衛星定位,在太空靠脈衝星定位。脈衝星因為能被不斷觀測到,且具有規律性,所以很容易在天空確定其位置,這樣多個脈衝星就如同大海中的燈塔,可以指引深空探索飛行器,中國天眼可以幫我們建立脈衝星自主導航系統,因為人類未來極大可能會向外太空發展。
美國"天眼"的現狀怎樣了?
在中國天眼建成之前,美國的阿雷西博射電望遠鏡是全世界最大的單孔徑射電望遠鏡,口徑大小為305米。和中國天眼類似,考慮到防水和工程量,阿雷西博射電望遠鏡也在溶洞地形的一處凹坑內修建,那麼它的現狀如何?
因為在2017年遭受颶風"瑪麗亞"破壞,而且在2019至2020年間又被地震影響,最終望遠鏡的"大鍋"完全損壞,而且早在2006年,美國國家科學基金(NSF)就不資助了,於是阿雷西博望遠鏡在2020年11月19日宣布退役,如今鏽跡斑斑,如同一堆破爛。
中國天眼跟它相比,綜合性能提升了大約10倍,並且在未來20到30年內會保持世界一流水平。