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马平:用21世纪的方式,去看21世纪的奇迹
关键字: 射电望远镜天文望远镜贵州
我们可以看一下被“天眼”超越的前任射电望远镜冠军——波多黎各阿雷西博望远镜。阿雷西博望远镜也同样建在一块凹地上,底部修成了标准球形。众所周知,球形反射镜会把平行信号反射到一条线上,而抛物面会把平行信号反射到一个点上。从遥远天体射来的信号,可以视为平行信号,理论上说反射到一个点要比反射到一条线有利得多,更方便收集信号,阿雷西博望远镜却恰恰选择了球面反射方式,这是因为人类无法控制地球的运动。
(抛物面反射把主轴方向的平行信号汇聚到焦点,球面反射把任意方向的平行光汇聚于一条线)
射电望远镜要随着地球的运动而运动,所以,如果射电望远镜的位置不调整,指向也会在天空中画出一条曲线,没法精确瞄准一个物体,或者说任何目标都会在望远镜的视野中一掠而过,没法连续观测。所以早期的射电望远镜都是可以转动的抛物面。
(60-70年代建设的密云射电望远镜)
但可以转动,意味着就不能做的太大。否则没有那么大的机器可以驱动反射面,反射面自己也会因为重力而变形。但天文望远镜的分辨率和口径成反比,收集信号的强度和口径的平方成正比,所以为了追求分辨率,下一个思路就是把望远镜固定在地上以扩大口径,类似于天眼和波多黎各阿雷西博望远镜。
(阿雷西博望远镜)
固定在地上,球面就优于抛物面了——球面没有指向性,任何方向来的平行信号,都可以反射到某一条线上。随着地球的转动,目标在天空中相对运动,就把线状的信号接收器转动到相应的方向,也可以集中信号。这就是阿雷西博望远镜的做法。但信号不聚焦于一点,终究是信号太弱。美国在望远镜中心挂了几百吨的一个超级接收器(馈源舱),才勉强发挥出望远镜数百米半径的优点。
所以,射电天文学家的梦想就是集中转动天线、固定天线,抛物面、球面的优点,打造一个足够大,运动灵活,还能聚焦于一点的望远镜,研究遥远星体的无线电波。(当然反过来也可以灵活地发射无线电)
这就是“天眼”用4000块多面板和2000多个促动器实现的目标——随着星体的移动,随时在“大锅”的球面内部组合出一个抛物面。抛物面跟着星体运动,只要星体还在“大锅”上空,就能连续观测,而信号又时刻集中于一点,用一个10吨的馈源舱就能完全接收。此外,由于传感器能随时判定每一块面板的位置,风力乃至地面变形对反射面的影响也会随时得到补偿,聚焦精度远远超越以往的抛物面望远镜。
(“锅底”始终形成一个可动的抛物面,时刻把主轴指向要观测的目标)
和波多黎各那个300多米的大锅相比,或者说德国伯恩100米可转动望远镜相比,“天眼”可以说兼顾了双方面的好处,口径上又远远超过,是一个划时代的产物。表面上看,“天眼”只是借助地势和中国的超强土木工程能力造了一口超级“大锅”,但实际上,它是21世纪信息技术和工程能力结合,制造的科学奇迹。不意外的话,两年后“天眼”正式运行,必然会做出惊人的发现。
返回的路上,我也在思考:虽然“天眼”很惊艳,客观来说,中国企业在很多工业门类上尚待追赶。就拿坐着的汽车来说,汽车工业反映了各国在第二次工业革命方面的积累。中国现在已经是世界第一的汽车生产大国,但2016年世界汽车销量排行榜上,前十名都不是中国品牌。要追赶世界先进水平,一方面必须在绕不过去的工业门类上“补课”,另一方面也可以积极利用第三次工业革命的成果,尝试“弯道超车”。
比如说,在去看“天眼”的路上,比亚迪的智能车载系统可以让我在大屏幕上看阅兵直播,这除了说明汽车和网络技术的结合,这也说明汽车电力系统提供了充沛的电力,可以为车载电脑提供越来越多的功能。
而车载电力充沛,意味着汽车要管理前所未有的电池系统——这需要计算机自动检测每一块电池的状况,调整负载,才能让几百块电池联动起来,和能量密度更高的燃油发动机竞争,更快地赶超欧美的先发优势。
从这个角度说,电动车企的电池管理系统,和“天眼”协调数千个促动器的计算机系统有异曲同工之处,都是用信息时代的技术改造20世纪的设计,实现前所未有的功能。
波多黎各的阿雷西博望远镜建于1963年,开始是固定的金属网,1974年升级为固定金属板,1980年再次扩建到366米直径。但无论怎么扩建,贵州“天眼”(缩写为FAST)已经在更高的层次上压了过去,在可预见的将来也必然是世界最强大的射电望远镜。希望这种赶超能成为中国科技发展的常态,希望中国工业的目标像“fast”望远镜一样远大。
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- 责任编辑:宋煜昊
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