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據(jù)央視新聞報道，中國科學(xué)院新疆天文臺“110米口徑全向可動射電望遠(yuǎn)鏡”不久前在新疆昌吉州奇臺縣正式奠基開工，它也被稱作奇臺射電望遠(yuǎn)鏡。

按計劃，奇臺射電望遠(yuǎn)鏡的建設(shè)周期為6年，建成后有望成為全球最大、精度最高的全向可動射電望遠(yuǎn)鏡，可以在納赫茲引力波、快速射電暴、黑洞、暗物質(zhì)、天體及生命起源等前沿領(lǐng)域開展科學(xué)研究，并為未來我國空間活動提供強(qiáng)大技術(shù)支撐。有人形容，它建成后將成為可以媲美“中國天眼”FAST的又一天文領(lǐng)域大國重器。我們邀請中國科技館助理研究員、天文學(xué)博士宋楠為您做詳細(xì)解讀。

(資料圖片)

高頻波段覆蓋范圍將超“天眼”

說到能和“中國天眼”FAST相媲美，很多讀者可能會疑惑了，建設(shè)中的奇臺射電望遠(yuǎn)鏡口徑只有110米，而“中國天眼”FAST口徑有500米，二者根本不在一個級別上，何談相媲美呢？關(guān)鍵問題就在一個能轉(zhuǎn)，一個不能轉(zhuǎn)。

“中國天眼”500米直徑的反射面架設(shè)在喀斯特地貌形成的山溝里，是固定不動的，實際工作時，反射面通過下方促動器的微調(diào)，形成一個等效口徑300米的拋物面進(jìn)行觀測，能夠觀測的區(qū)域有限。

而奇臺射電望遠(yuǎn)鏡是全向可動的，也就是說，它可以通過反射面下方的支撐裝置，實現(xiàn)水平方向360°，俯仰方向90°旋轉(zhuǎn)。

與“中國天眼”因為望遠(yuǎn)鏡主體固定不動，只能觀測到少部分天區(qū)相比，全向可動的優(yōu)勢讓奇臺射電望遠(yuǎn)鏡能夠以極高的靈敏度觀測四分之三的天區(qū)，其中覆蓋天文界高度關(guān)注的銀河系中心及以南12°天區(qū)。工作頻率范圍從150兆赫茲到115吉赫茲，可以高精度觀測米級到毫米級的射電輻射。其中在高頻波段的覆蓋范圍要超過“中國天眼”。

然而要想讓望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)起來，需要克服一系列的技術(shù)難題。

奇臺射電望遠(yuǎn)鏡天線重量將達(dá)到6000余噸，高度超過35層樓，絕對是一個龐然大物。通過一個簡單類比，可以大概想象110米直徑的天線到底是什么概念。一個足球場的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為長度105米，寬度68米。設(shè)想一下，讓一個比標(biāo)準(zhǔn)足球場還要大的“大鍋”自如轉(zhuǎn)動絕非易事。

首先，支撐望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)動的平臺和結(jié)構(gòu)不僅要足夠堅固，還要有較好的靈活性和超高的定位精度，不然對于處在遙遠(yuǎn)宇宙深處的渺小天體而言，望遠(yuǎn)鏡所對準(zhǔn)的天空位置，真的會是“失之毫厘謬以千里”。奇臺射電望遠(yuǎn)鏡的指向精度為2.5角秒。在地球上看，夜空中木星最大的視直徑約為50角秒，所以這口110米的“大鍋”，可以精確地指向只有木星1/20的狹小范圍。

其次，110米的巨大反射面在指向天空不同位置時，不同高度位置處重力不同、環(huán)境溫度不同、風(fēng)向風(fēng)速有差別，這些都會造成整個天線拋物面形狀的改變，如果不做修正，不同方向來的射電信號就無法很好的匯聚在同一個焦點上。因此復(fù)雜環(huán)境下的天線形態(tài)保持變得非常重要。為了達(dá)到0.3毫米的面形精度要求，工程人員計劃采用主動面技術(shù)，做到天線面型的快速測量，并使用高精度位移促動器進(jìn)行快速修正。

當(dāng)然，要攻克的技術(shù)難題還遠(yuǎn)不止這些，而且并無先例可循。極端苛刻的工程技術(shù)要求，需要基于已有的相關(guān)知識，進(jìn)行自主創(chuàng)新和不斷地實驗，才能最終實現(xiàn)。

（2）全球可動射電望遠(yuǎn)鏡中口徑最大

奇臺射電望遠(yuǎn)鏡除了可以自由轉(zhuǎn)動外，它還有望成為能轉(zhuǎn)動的望遠(yuǎn)鏡里口徑最大的，這同樣很重要。天文望遠(yuǎn)鏡一直都遵循“口徑為王”的鐵律，不管是什么波段的望遠(yuǎn)鏡，口徑越大，就能看到更遠(yuǎn)更暗弱的天體，帶來更多嶄新的天文學(xué)發(fā)現(xiàn)，射電望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展歷史同樣如此。與我們熟悉的光學(xué)天文和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡相比，射電天文雖然起步較晚卻發(fā)展迅猛。

20世紀(jì)30年代初，美國貝爾實驗室的卡爾·央斯基將30米長、6米高的天線架設(shè)在圓形轉(zhuǎn)盤上，使天線可以任意方向旋轉(zhuǎn)，從而能夠定位到接收信號的方向。他利用這臺類似“旋轉(zhuǎn)木馬”的天線，不僅收到了大自然中雷電所產(chǎn)生的射電信號，還首次探測到了來自銀河系中心的射電輻射，開啟了射電天文學(xué)的大門。

在得知央斯基的研究后，電子工程師格羅特·雷伯于1937年造出了一架口徑為9.45米的拋物面射電望遠(yuǎn)鏡，這是人類歷史上第一臺用于天文觀測的射電望遠(yuǎn)鏡。隨后，更多射電望遠(yuǎn)鏡參照這臺望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)和模樣被建造出來。其中二戰(zhàn)后大量軍用雷達(dá)被廣泛用于民用天文觀測，同時大批天文專用的射電望遠(yuǎn)鏡相繼建成運(yùn)行，使射電天文學(xué)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的黃金期，直接促成了上世紀(jì)60年代現(xiàn)代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)——類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射。

分辨率和靈敏度是衡量射電望遠(yuǎn)鏡性能的兩個重要指標(biāo)。分辨率是指區(qū)分兩個彼此靠近射電目標(biāo)的能力，分辨率越高就能將越近的兩個目標(biāo)分開，可以理解為“看得清”。對于單個天線的射電望遠(yuǎn)鏡來說，天線的直徑越大分辨率越高。靈敏度是指射電望遠(yuǎn)鏡“最低可測”的能量值，這個值越低靈敏度越高。射電信號的來源很多，除了人類自身產(chǎn)生，還有來自雷電之中等等，真正來自宇宙天體的射電信號通常非常微弱，被淹沒在各種噪聲中，很難“看得到”。增大天線接收面積是提高靈敏度的重要方法之一。所以射電望遠(yuǎn)鏡只有越做越大，才能擁有更高的分辨率和靈敏度，讓我們在射電波段“看”到更遠(yuǎn)、更清晰的宇宙。

目前世界上最大的全向可動射電望遠(yuǎn)鏡，是2000年建成的美國綠岸望遠(yuǎn)鏡，碟形天線的尺寸達(dá)到110米×100米。到目前為止，我國最大的全向可動射電望遠(yuǎn)鏡是位于上海佘山的65米天馬射電望遠(yuǎn)鏡，它于2012年建成，在我國的嫦娥探月、火星探測和天文學(xué)研究中發(fā)揮了重要作用。

110米的奇臺射電望遠(yuǎn)鏡建成后，將超過綠岸望遠(yuǎn)鏡，從而有望成為全球最大的全向可動射電望遠(yuǎn)鏡。值得一提的是，在2020年9月，我國“景東120米脈沖星射電望遠(yuǎn)鏡研制”啟動儀式在云南省普洱市景東縣舉行，這個研制中的全可動射電望遠(yuǎn)鏡口徑達(dá)120米，它將和奇臺射電望遠(yuǎn)鏡一起，確保未來全球最大的全向可動射電望遠(yuǎn)鏡稱號“花落”中國。

（3）臺址地理位置有獨特優(yōu)勢

要建造一臺大型望遠(yuǎn)鏡，望遠(yuǎn)鏡放置的位置同樣至關(guān)重要，專業(yè)上稱為臺址選擇。射電望遠(yuǎn)鏡接收的信號頻率，跟微波爐、手機(jī)、收音機(jī)等有很多的重合，而這些人類活動產(chǎn)生的信號同樣可以被望遠(yuǎn)鏡接收，從而對宇宙中遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的微弱射電信號產(chǎn)生巨大的干擾。

歷史上就發(fā)生過這樣的“烏龍”事件。1998年，位于澳大利亞的64米帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，接收到了無法解釋的神秘信號，不定期地出現(xiàn)在觀測數(shù)據(jù)中，由于遲遲找不到信號源頭，天文學(xué)家甚至一度猜測這是外星智慧生命發(fā)出的。直到17年后的2015年，望遠(yuǎn)鏡更新了后端的信號接收裝置，發(fā)現(xiàn)神秘信號的頻率跟觀測站廚房的微波爐發(fā)出的頻率一樣，都是2.4吉赫茲，才揭開了這個困擾天文學(xué)家多年的謎題——信號并非來自宇宙深處的神秘物體，而是當(dāng)有工作人員打開微波爐加熱食物時，望遠(yuǎn)鏡恰巧指向微波爐的方向而接收到的。所以遠(yuǎn)離人類活動并且盡可能屏蔽人為射電信號的地方，是安放射電望遠(yuǎn)鏡的理想之處。

臺址選擇要考慮的因素不止這些，大氣中水汽的含量也是影響射電天文觀測的重要指標(biāo)。大氣中的水汽不僅會引起射電天文信號的衰減，還會對望遠(yuǎn)鏡靈敏度、指向誤差及天線增益等關(guān)鍵指標(biāo)造成影響。因此，望遠(yuǎn)鏡的臺址初步選定后，還需要對大氣水汽含量進(jìn)行長期監(jiān)測研究。除了水汽含量，望遠(yuǎn)鏡口徑越大，微小抖動就會被放大得越多。在望遠(yuǎn)鏡長時間跟蹤觀測某一方向目標(biāo)時，外界環(huán)境中風(fēng)和氣流等的影響，會使望遠(yuǎn)鏡得到的數(shù)據(jù)變得“模糊”。此外，考慮到可觀測天空的覆蓋范圍和觀測時間段，新臺址所在地的經(jīng)緯度也要結(jié)合國際上已有的射電望遠(yuǎn)鏡位置，進(jìn)行綜合考量。

大家熟悉的“天眼之父”南仁東先生，在“中國天眼”開工建設(shè)之前，就利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和親自翻山越嶺實地考察，走遍了西南地區(qū)以喀斯特地貌作為天然屏障的數(shù)百個坑地，并在專業(yè)設(shè)備長期監(jiān)測數(shù)據(jù)的支持下，歷時12年，最終找到了貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼這個地方，作為中國天眼最理想的安身之所。奇臺射電望遠(yuǎn)鏡的選址同樣如此，據(jù)新疆天文臺王娜臺長介紹，研究人員歷時多年，沿著天山選取了大概48個點位進(jìn)行綜合比對，最終在距離烏魯木齊260公里的奇臺縣半截溝鎮(zhèn)石河子村找到了理想的臺址。這里遠(yuǎn)離人口密集區(qū)，地處山間盆地，射電信號干擾小，監(jiān)測的水汽、風(fēng)速等環(huán)境條件也滿足望遠(yuǎn)鏡長期運(yùn)行要求。從地圖上看，奇臺位于我國西部、歐亞大陸腹地，向西可以和歐洲的望遠(yuǎn)鏡聯(lián)網(wǎng)、向東可以連接?xùn)|亞的望遠(yuǎn)鏡，地理位置同樣具有獨特優(yōu)勢。

對于目前建設(shè)中的奇臺射電望遠(yuǎn)鏡和研制中的景東射電望遠(yuǎn)鏡，我們希望未來它們建成后，能夠和“中國天眼”一起，發(fā)揮各自的性能特點和設(shè)備優(yōu)勢，為前沿科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用帶來新的突破。