人類工程的奇蹟26期:全球10大射電望遠鏡,中國天眼第二

2021-02-15 科技風人院
前言

 

人類自從誕生以來,就一直深深迷戀著深邃的星空,仿佛這個世界的一切奧秘都能從星空裡尋到答案。1609年,伽利略製造了世界上第一臺天文望遠鏡,人類對宇宙的觀測從此邁上了一個新的臺階。隨著技術的進步,天文望遠鏡又慢慢分化成了很多不同的分支:光學望遠鏡、射電望遠鏡、X射線望遠鏡、伽瑪射線望遠鏡,等等。

 

光學望遠鏡是傳統光學天文學的主要觀測儀器,研究天體發出的光波部分;射電望遠鏡則是射電天文學的主要觀測儀器,研究天體發出的電磁波頻譜部分。與光學望遠鏡不同,射電望遠鏡可以在白天使用,也可以在夜間使用。

 

由於行星、恆星、星雲和星系等天文射電源離我們非常遙遠,來自它們的射電波非常微弱,所以射電望遠鏡需要非常大的天線來收集足夠的射電能量來研究它們,同時還需要非常靈敏的接收設備。也正因為如此,射電望遠鏡往往「以大為美」。

 

射電望遠鏡的形態也各不相同,有拋物面的、球面的、帶狀的,甚至還有將大量射電鏡連起來組成的陣列。本期《人類工程的奇蹟》,就將帶大家探尋全球10大射電望遠鏡,一起領略人類的科技之美、天文之美。

 

第10名:熊湖RT-64(俄羅斯)

 

熊湖RT-64射電天文望遠鏡位於俄羅斯莫斯科附近的熊湖射電天文臺(BLRAS),它是一個直徑64米的碟形射電望遠鏡,由莫斯科電力工程學院特別研究局於1979年架設,1983年投入使用。它有一個準拋物線軸向對稱的格雷戈裡鏡系統,有直徑6米的副反射器和多波段饋電喇叭系統。碟內裝有通過程序化的副反射鏡運動來補償重力變形的系統。

 

它是俄羅斯深空跟蹤網的一部分,該網絡控制著俄羅斯所有火星和金星計劃的深空任務,並接收來自這些太空飛行器的遙測信息(即接收帶有金星表面全景的信號),參與VEGA項目中金星大氣動力學氣球的差分VLBI測量。

 

第9名:帕克斯(澳大利亞)

帕克斯射電望遠鏡位於澳大利亞新南威爾斯州帕克斯鎮以北的帕克斯天文臺,是一個直徑64米的活動碟式望遠鏡,是南半球第二大望遠鏡,也是世界上最早的大型活動碟式望遠鏡之一。帕克斯射電望遠鏡是用於接收 "阿波羅11號"登月直播電視圖像的幾根射電天線之一。幾十年來,它的科學貢獻使澳大利亞廣播公司在運行50年後將其描述為"澳大利亞有史以來最成功的科學儀器"。

 

1961年完工的帕克斯射電望遠鏡是聯邦科學與工業研究組織輻射物理學實驗室主任E.G. Taffy Bowen的傑作。在第二次世界大戰期間,他曾在美國從事雷達開發工作,並與美國科學界建立了聯繫。這個老男孩利用自己的人脈,說服了兩個慈善組織——卡內基公司和洛克菲勒基金會——資助瞭望遠鏡一半的費用。正是由於來自慈善機構的關鍵財政支持,老男孩又成功說服了澳大利亞總理羅伯特-孟席斯,同意資助項目的剩餘部分。

 

2020年8月10日,帕克斯天文臺被列入澳大利亞國家遺產名錄。

 

第8名:天馬(中國)

 

天馬射電望遠鏡是中國科學院與上海市合作的重大項目。項目的總體目標是建設一臺孔徑65米的全向移動射電望遠鏡。該項目於2008年10月底獲批,於2009年12月29日奠基,2010年3月19日開工建設,到2012年10月28日竣工,共歷時4年。在涉及天線系統、接收系統、主動移動系統、終端系統、臺站控制、時頻系統等各個階段都很好地完成了任務。此外,試驗站的建設和天文實驗觀測也按項目計劃完成。

 

天馬高70米,重約2700噸,是目前我國口徑最大、頻率範圍最寬的全向移動式高性能射電望遠鏡。它的工作波長從7毫米到21釐米,分8個部分,覆蓋了射電天文觀測的整個釐米和長毫米範圍。

 

第7名:洛弗爾(英國)

 

洛弗爾射電望遠鏡位於英格蘭西北部的喬德雷爾·班克天文臺。在1957年建成時,它是世界上最大的可轉向盤射電望遠鏡,直徑達76.2米。

 

2006年9月,洛弗爾射電望遠鏡在BBC尋找英國最偉大的"無名地標"在線競賽中獲勝,2007年是該望遠鏡誕生50周年。

 

如果空氣足夠晴朗,從曼徹斯特的高層建築,以及更遠的賓夕法尼亞半島、蘭開夏郡的冬山、斯諾登尼亞、柴郡的比斯頓城堡等地都可以看到洛弗爾射電望遠鏡。

 

第6名:艾菲爾斯伯格(德國)

 

艾菲爾斯伯格是位於德國波恩附近的射電望遠鏡,其拋物面直徑100米。29年來,艾菲爾斯伯格射電望遠鏡一直是地球上最大的完全可轉向射電望遠鏡,2000年,它被美國綠岸天文臺的綠岸望遠鏡所超越。

 

艾菲爾斯伯格於1968年至1971年建造,1972年8月1日落成。建造直徑為100米的射電望遠鏡的一個主要技術難點是,如何處理鏡面旋轉指向不同方向時因重力而產生的變形。艾菲爾斯伯格望遠鏡使用了一種新穎的計算機設計的鏡面支撐結構,這種結構的變形方式使變形後的鏡面將始終呈現拋物線形狀。

 

第5名:綠岸(美國)

 

位於美國西維吉尼亞州綠岸的綠岸射電天文望遠鏡(GBT)是世界上最大的可完全轉向射電望遠鏡。綠岸射電天文望遠鏡擁有100米×110米的橢圓收集區域,無阻塞的孔徑以及良好的表面精度,使得整個望遠鏡在0.1-116 GHz工作範圍內具備超強的靈敏度。

 

綠岸是可完全轉向的,探測到當地天球85%的區域。它每年用於天文學的時間約為6500小時,其中每年有2000-3000小時用於高頻科學。綠岸的科學優勢在於它的靈活性和易用性,可以對新的科學理念做出快速反應。

 

綠岸於2001年開始正常的科學運作,它是在一臺倒塌望遠鏡的基礎之上建造的,這臺90.44米的拋物面望遠鏡於1961年10月開始觀測,卻在1988年11月15日倒塌。

 

第4名:阿雷西博(波多黎各)

 

阿雷西博望遠鏡是一座305米的球面反射射電望遠鏡,位于波多黎各阿雷西博附近的阿雷西博天文臺的一個天坑中。碟形天線上方150米處安裝了一個鋼纜固定的可轉向接收器和幾個發射信號的雷達發射器。阿雷西博望遠鏡於1963年11月完工,在53年的時間裡,它一直是世界上最大的單孔望遠鏡,直到2016年7月被中國貴州的天眼超越。

 

阿雷西博望遠鏡主要用於射電天文學、大氣科學和雷達天文學的研究,以及搜索地外智慧(SETI)的項目。美國宇航局還將該望遠鏡用於近地天體探測計劃。該天文臺主要由美國國家科學基金會(NSF)資助,並得到了NASA的部分支持。

 

阿雷西博在2017年被颶風破壞,在2019年和2020年受到地震的影響,在2020年出現兩次鋼纜斷裂,部分反射盤損壞。深思熟慮後,NSF會於2020年11月19日宣布,該望遠鏡將退役並拆除,射電望遠鏡和雷射雷達設施仍在運行。然而阿雷西博並沒能撐到退役,2020年12月1日,剩餘的幾根鋼纜發生了嚴重故障,支撐結構、天線和穹頂組件於全部落入反射盤。

 

第3名:RATAN-600(俄羅斯)

 

RATAN-600是俄語「科學院射電望遠鏡-600」的縮寫,是位於俄羅斯卡拉恰伊-切爾克斯共和國澤連丘克斯卡亞的一臺射電望遠鏡,於1974年建成,海拔970米。它由直徑576米的矩形射電反射器和一組二級反射器和接收器組成。

 

RATAN-600擁有895個2×7.4米的反射器,每一個都可以分別調整角度,將射入的無線電波反射到中央錐形二級反射鏡上,或反射到五個拋物線圓柱體中的一個。每個二級反射鏡都有一個儀器艙,裡面有各種接收機和儀器。總體效果是一個部分可轉向的天線,當使用中央錐形接收器時,其最大分辨力相當於一個直徑近600米的碟形天線,使其成為世界上最大直徑的個人射電望遠鏡。

 

第2名:天眼(中國)

 

天眼是一座位於貴州平塘縣大窩凼窪地的射電望遠鏡,它有一個直徑500米的碟形天線,建在天然的窪地中。天眼是目前世界上最大的填充口徑(即全口徑均有反射面的)射電望遠鏡,還是僅次於俄羅斯RATAN-600環狀射電望遠鏡的世界第二大的單一口徑射電望遠鏡。

 

其實,「五百米口徑球面射電望遠鏡」才是它的官方名稱,不過最為百姓所熟知的是它的綽號「天眼」。很少有人知道的是,它有一個霸氣十足的英文名「FAST」,翻譯過來也很簡單,就一個字「快」。

 

天眼的設計很新穎,利用4500塊面板組成的活動面,實時形成一個移動的拋物線金屬面板,裝有饋電天線的艙室用電纜懸掛在天線盤上方,可以利用絞盤自動移動,引導儀器接收不同方向的信號。它的觀測波長為10釐米至4.3米。

 

天眼於2011年開始建設,於2016年9月觀測到第一道光。經過三年的測試和調試,最終於2020年1月11日宣布全面運行。天眼在2017年8月首次發現距離地球16000光年和4100光年的兩顆脈衝星,到2018年9月,FAST已經發現了44顆新脈衝星。

 

第1名:甚大天線陣(美國)

 

甚大天線陣(VLA)是一個釐米波長的射電天文學觀測站,位於新墨西哥州中部的聖奧古斯丁平原,海拔高度2120米。VLA隸屬於美國國家射電天文臺(NRAO),於1981年建成。其實VLA是英文「Very Large Array」的縮寫,直譯過來就是「非常大的陣列」,美國人起名字還真有點簡單粗暴呢。

 

VLA由28臺25米射電望遠鏡組成,呈Y形陣列部署,並擁有作為幹涉儀運行的所有設備、儀器和計算能力。每臺巨大的望遠鏡都安裝在雙平行的鐵軌上,因此陣列的半徑和密度可以進行變換,以調整其角度解析度和表面亮度靈敏度之間的平衡。

 

天文學家利用VLA對年輕恆星周圍的黑洞和原行星盤做出了關鍵觀測,發現了磁絲並追蹤了銀河系中心複雜的氣體運動,探測了宇宙的宇宙學參數,並提供了有關產生射電發射的物理機制的新知識。

 

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