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四国竞争全球最大射电望远镜 中国或有希望
2006-08-23          点击: 4067
四国竞争全球最大射电望远镜 中国或有希望



2006年08月17日南方周末(记者:黄永明):六年来,周末的概念从模糊变为消失;而现在,几乎每天都要工作 12小时,每天都要处理数十封电子邮件,与17个国家的同行协调工作。这是国家天文台一名研究员的真实工作状 态,他和他的同事们正在为建造世界上最强大的射电望远镜阵列而努力。

越大意味着越强

这是一个雄心勃勃的计划。它在1993年被提出时最初叫做LT(Large Telescope),意为“大望远镜”,后来在1999 年改名为SKA(Square Kilometer Array),中文名叫“一平方千米阵射电望远镜”。不管哪个名字,都昭示了它 最大的特点:大。建成之后,数十架乃至上百架射电望远镜在地面上构成的网络将类似于一幅麦田怪圈的图案。 这些望远镜收集无线电信号的总面积达到1平方千米,也就是100万平方米。

这样大的望远镜,就连外星人的电视信号都能探测得到——假如外星人存在并且爱看电视的话。“只要你能对准( 外星人的星球),就能够收到。”国家天文台大射电望远镜实验室一名研究员说。

这种说法并不夸张。坐落于波多黎各的目前世界上最大的单碟片射电望远镜直径是305米,而在中国天文学家的计 划中,有一种方案是建造30架300米直径的射电望远镜——这30架望远镜等效成SKA。

射电望远镜接收来自宇宙空间的无线电波。在常见的设计中,遥远天体发出的无线电信号首先被射电望远镜锅状 的表面反射到位于“大锅”上方的副镜中,然后经过副镜的第二次反射被位于“大锅”中央的接收器接收。

如同人们对于计算机运行速度的追求,天文学家总是希望拥有更大的望远镜,因为望远镜越大,他们能看到的也 就越多。

我国目前最大的射电望远镜位于河北兴隆,直径有50米,在今年刚刚竖立起来。这是一架能够调节指向的望远镜 。

能够转动的射电望远镜无法建得很大。望远镜口径增加的同时,一些困难也变得显著起来。一个不难理解的例子 是,在转动过程中的多数时间里,“大锅”下方的支架成为了最脆弱的部分。目前世界上最大的能够转动的射电 望远镜是位于德国的100米镜。因而就有天文学家另辟蹊径,利用自然地形作为支撑,建设不能转动的大型射电望 远镜。

不同于接收可见光的望远镜,射电望远镜的观测几乎不受天气状况和空气污染的影响,因为无线电能够轻易地穿 透云层。另一个特点是,不同位置的射电望远镜能够联网,将单个望远镜接收到的数据汇集成一个虚拟的更强大 的望远镜所能接收到的数据。

SKA的设计就是这样一种阵列。许多望远镜在一片核心区域中星罗棋布,而最远的观测站离核心区至少有3000公里 ,所有这些望远镜被等效为一个反射面积高达1平方公里的超大望远镜。

SKA被称为下一代射电望远镜,它的观测灵敏度是现有射电望远镜的50倍以上,巡天的速度更是超越现有射电望远 镜1万倍。根据计划,它将在10年后建成,并从2020年起全面运行至少50年,因此它又被称为“21世纪的国际射电 望远镜”。

选址晋级赛

去年夏天,SKA选址委员会的成员先从阿姆斯特丹乘飞机抵达上海,然后转乘火车到达贵阳,最后乘汽车来到贵阳 以南大约170公里的大窝凼。

“这是一个种植水稻的村子,绿色的小块田地紧凑地排列着,尤其是在凹坑底部。”到达这里的委员会成员罗伯 ·米勒纳(Rob Millenaar)在他的博客中描写道,“景色令人敬畏,即便在自己成为这景色的一部分几天之后,它 仍让我感到叹为观止!这是大自然的最佳杰作……”

当然,米勒纳等人来到这里并不是为了观光。

大窝凼是一处喀斯特洼地,由石灰岩经水流侵蚀后形成,这里是SKA候选的台址之一。米勒纳等人有一个很重要的 任务,就是考察这里的无线电环境。“一轮观测需要连续四个星期每天24小时不间断地进行。”国家天文台的研 究人员说。在米勒纳等人离开后,我国的工作组还要在这里进行至少一年的无线电环境观测。

对于任何一架望远镜来说,建在哪里对于它观测效果的影响都是直接的,SKA也不例外。虽说射电望远镜的观测不 受天气阴晴的影响,但在选址中有一种环境最重要——无线电环境。调频电台、电视、手机以及其他无线电数据 的传输都会对射电望远镜的观测造成干扰,就好像在交头接耳的会议上你无法听清发言者的话一样。

在来中国之前,米勒纳先去了南非,考察了那里的无线电环境;离开中国后,他又先后去了澳大利亚和阿根廷。 这三个国家也都提出了适合SKA的台址,它们在同中国竞争。选址工作组将四国的候选台址考察一遍就花费了一年 的时间。

SKA要求,台址需有一个半径5公里的“核心区”,这里不能有手机信号,SKA的观测频段不允许受到干扰。之外还 有半径150公里的“协调区”,对无线电环境也有一定的要求。贵州省无线电管理局已经在今年初明确,以大窝凼 为中心,半径5公里范围内严禁设置任何无线发射设备。

在澳大利亚,政府已经在西部设立了一个25平方公里的“射电天文公园”,这里是澳大利亚希望能够兴建SKA的地 方。

“在四个国家中,我国现有的电波环境不是第一就是并列第一。”国家天文台一位不愿具名的研究人员说。但他 同时也表达出一种忧虑:SKA的建成和使用都在很多年以后,而随着中国的快速发展,无线电环境在今后一些年里 很有可能会迅速恶化。而且,SKA望远镜不仅仅是分布在以大窝凼为中心的5公里范围内,最远的观测站将会远至 乌鲁木齐。相比之下,南非、澳大利亚等国提出的台址人烟稀少,无线电环境的变化不会像我国那样快。

事情有点类似于电视节目中的晋级赛。现在,SKA选址委员会即将召开会议,对候选台址进行投票,然后在9月上 旬公布四国台址的“人气”。而SKA最终的选址结果将在两年之后确定。

“目前我们不能透露任何关于选址的信息。”SKA国际项目工程师彼得·海尔(Peter Hall)8月14日说,“从技术 角度我能说的是,贵州台址测试出了较低的无线电干扰,所以能够理解你们的射电天文学界为何选择这里作为下 一代望远镜的台址。”

“但同时应该理解,SKA选址过程是一个有点不同、更加复杂的过程。”他补充说。

我国研究人员坦言,中国在台址的竞争中目前处境困难。现在的一个担心是,没有足够的喀斯特洼地可供利用。 因为SKA最初计划的阵列分布得并不像现在这样广泛,而我国天文学家的打算是,每一个300米望远镜都要建设在 一个洼地中。相比之下,另外三个国家的台址都位于开阔的平原地带。

此外,在最初的SKA计划中,最遥远的观测站距离核心区只有300公里,而现在要求达到3000公里以上,这个最遥 远的观测站选择在乌鲁木齐,但这是个城市,观测条件不会十分理想。

“在SKA还被称为LT的时候,中国天文学家是首先提出严肃的建设方案的,这个方案在当时非常适合LT的计划,但 现在情况已经变化了。”研究人员说。

目前我国天文学家的另一种选择是,在每个洼地中建设一批小望远镜,而不是每个洼地内建设一个300米的大望远 镜。这样一来,望远镜的总数可能会有上百个。

探路者先行

作为SKA项目的探路者,我国项目组的天文学家正在积极筹建“500米孔径球面望远镜”(FAST)。FAST这个名称一 语双关,既明确说明了望远镜的口径,又包含有建成以夺天时之利的意思。

FAST同样是一架利用贵州喀斯特洼地的地理特征进行建设的大型射电望远镜。500米的直径将使它成为世界上最大 的单碟片射电望远镜。一方面,FAST是SKA在中国的试验平台,可进行一系列创新或改进的技术方案的论证和试验 ;另一方面,它也可以独立进行观测。

研究人员介绍说,现在FAST仍然处于图纸阶段,距离真正开工建设至少还需要一年半的时间,而建设的工期大概 需要五年半。这样算下来,在FAST完工之时,SKA应该已经建设到可以做一些早期观测的程度了。

去年11月,国家天文台大射电望远镜实验室在北京密云县建设了一个“探路者的探路者”。他们称这架射电望远 镜为“密云FAST”,因为它是FAST的具体而微者。密云FAST直径为30米,相当于FAST的一个小模型。同样,它在 被用于试验FAST关键技术的同时,也是一架能够做自己的观测项目的望远镜。

在南非,天文学家也为SKA准备了类似的探路者项目。“南非台地阵望远镜”(Karoo Array Telescope 简称 KAT)是缩小版的SKA,它由20架15米的射电望远镜构成。南非的射电天文学家希望用这样一个阵列来试验SKA建设 中的关键技术。KAT计划在2008年到2010年间开工建设。

“尽管KAT比SKA小,面积大约只有SKA的百分之一,但它仍将是能够产生世界级科学的世界级望远镜。”KAT的资 料页上这样写道。

另外还有世界上大大小小的许多射电望远镜都成为了SKA的借鉴对象和探路者。“射电天文学界在持续不断地为设 备的提高而工作。”巴黎天文台的射电天文学家W·万·德瑞尔(W. van Driel)在一篇会议论文中写道。

未来,性能得到提高的新一代射电望远镜带给人们的将远不只是对外星人电视信号的探测。

SKA这个由17个国家出资10亿欧元建设的望远镜阵列,观测的范围涵盖了从脉冲星、黑洞,到星系、暗物质和暗能 量的广泛的天体物理学目标。更为重要的是,观测技术的提高总是会带来更多意料之外的发现。

在20世纪,射电天文学已经带来大量新发现,并造就了三个诺贝尔物理学奖。SKA这个21世纪的射电望远镜阵列在 未来又将带来什么?谁都可以猜。

责任编辑: wayne
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