在人口稠密的上海，竟藏有亞洲最大的射電望遠(yuǎn)鏡
上海65米射電望遠(yuǎn)鏡（天馬望遠(yuǎn)鏡）
2020年12月1日，重達(dá)900噸的接收平臺(tái)及相關(guān)結(jié)構(gòu)從百余米高空砸到了阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的主反射面上，望遠(yuǎn)鏡徹底毀壞。由于政府此前就已決定拆除阿雷西博，科學(xué)家和工程師也已經(jīng)撤離，這次垮塌事故沒(méi)有造成任何人員傷亡。
就這樣，“美國(guó)天眼”阿雷西博望遠(yuǎn)鏡以一種不算圓滿的方式結(jié)束了自己的使命。阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡建成于1963年，口徑達(dá)到了305米，在“中國(guó)天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）建成之前，始終是全球最大的單孔徑望遠(yuǎn)鏡。
在服役的這57年里，阿雷西博可謂是戰(zhàn)功赫赫。
它發(fā)現(xiàn)了水星自轉(zhuǎn)周期、第一個(gè)脈沖雙星系統(tǒng)、第一個(gè)毫秒脈沖星，證明了中子星的存在，甚至還代表我們?nèi)祟愊蚯驙钚菆F(tuán)M13發(fā)送了一串由1 679個(gè)二進(jìn)制數(shù)字組成的信號(hào)。如果有外星文明收到了這個(gè)信號(hào)并準(zhǔn)確識(shí)別，他們將會(huì)知曉我們?nèi)祟愡@個(gè)智慧種族的存在。
此外，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡的身影還出現(xiàn)在了大熒幕上，在《007之黃金眼》《超時(shí)空接觸》等電影中都有亮相。
然而，這一切都在垮塌事故的一聲巨響中成為了歷史，這怎能不令人扼腕嘆息？好在，以FAST和上海65米射電望遠(yuǎn)鏡（天馬望遠(yuǎn)鏡）為代表的中華利器已經(jīng)接過(guò)了探索宇宙的接力棒，它們必將開拓嶄新的未來(lái)。
本文的主人公正是上海65米射電望遠(yuǎn)鏡。不過(guò)，要想深入了解這位主人公，首先還得知道一些背景知識(shí)，比如：什么是射電？什么是射電望遠(yuǎn)鏡？同樣是射電望遠(yuǎn)鏡，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡和FAST、阿雷西博有何不同？射電望遠(yuǎn)鏡有什么重要意義？射電望遠(yuǎn)鏡的研制又要解決哪些困難？
撰文 | 喬 琦
所謂“射電”，其實(shí)就是無(wú)線電，英文為Radio。你一定也認(rèn)出了，這個(gè)詞還有一個(gè)更常見的意思，那就是“收音機(jī)”。收音機(jī)接收的其實(shí)就是無(wú)線電，它在收到這些信號(hào)后，進(jìn)行一番解調(diào)制，然后播放出來(lái)，就有了我們能聽到的內(nèi)容。
射電望遠(yuǎn)鏡的基本原理和收音機(jī)類似，也是接收無(wú)線電信號(hào)，再通過(guò)解調(diào)制等手段處理信號(hào)，最后形成圖像。因此，如果說(shuō)我們更熟悉的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是在“觀看”宇宙，那么射電望遠(yuǎn)鏡更像是在“傾聽”宇宙。
1931年，美國(guó)無(wú)線電工程師卡爾 · 央斯基（Karl Guthe Jansky）利用天線陣列和接收器收到了來(lái)自銀河系中心方向的無(wú)線電信號(hào)，這就是射電天文學(xué)的開端。
20世紀(jì)30年代末40年代初，美國(guó)人格羅特 · 雷伯（GroteReber）用自制的9.45米口徑拋物面天線收集了銀河系的無(wú)線電信號(hào)，并繪制了第一張銀河系射電天圖。他的這架望遠(yuǎn)鏡也當(dāng)之無(wú)愧地成了人類歷史上第一架射電望遠(yuǎn)鏡。
此后，射電天文學(xué)和射電望遠(yuǎn)鏡迅猛發(fā)展，取得了令人矚目的成果。尤其是20世紀(jì)60年代的四大天文學(xué)發(fā)現(xiàn)——脈沖星、類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子——均有射電望遠(yuǎn)鏡不可替代的杰出貢獻(xiàn)，因而也被稱為“射電天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)”。
如今，射電天文學(xué)已經(jīng)成為探索宇宙的一大前沿領(lǐng)域，擁有性能優(yōu)秀的射電望遠(yuǎn)鏡更是天文強(qiáng)國(guó)的標(biāo)志之一。
射電望遠(yuǎn)鏡種類繁多，既有像阿雷西博和FAST這樣“嵌”在某個(gè)地方且整體不可轉(zhuǎn)動(dòng)的“大鍋”，也有像上海65米射電望遠(yuǎn)鏡這樣可以360°轉(zhuǎn)動(dòng)的全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡，還有由多個(gè)小望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡。
不過(guò)，歸根到底，射電望遠(yuǎn)鏡的基本結(jié)構(gòu)無(wú)外乎天線、接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一樣，射電望遠(yuǎn)鏡的性能標(biāo)準(zhǔn)主要也是靈敏度和分辨率兩方面。此外，口徑越大——射電望遠(yuǎn)鏡的口徑就是天線的直徑——靈敏度、分辨率就越高。因此，建造射電望遠(yuǎn)鏡的一大目標(biāo)就是盡可能地造得大。然而，研制這樣的天文觀測(cè)利器不可避免地要面臨諸多困難。例如：
如何保證這些動(dòng)輒上千噸的龐然大物在自由轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)還能準(zhǔn)確定位、跟蹤目標(biāo)？
如何克服自身重力以及環(huán)境因素導(dǎo)致的反射面形變？
如何降低接收機(jī)的噪聲溫度以提高其靈敏度？
如此種種，都是研制大型射電望遠(yuǎn)鏡必須解決的技術(shù)難點(diǎn)。
這些難點(diǎn)解決得越好，望遠(yuǎn)鏡的性能也就越優(yōu)秀，就越可能取得更豐碩的研究成果。
上海65米射電望遠(yuǎn)鏡，坐落于上海天馬山山腳下，因而又有“天馬望遠(yuǎn)鏡”之稱。
這座望遠(yuǎn)鏡高70米，重2700多噸，主反射面（也就是望遠(yuǎn)鏡的大天線）口徑65米、面積約3780平方米——“相當(dāng)于9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)籃球場(chǎng)大小”。
這么大的反射面如果只是造成一整塊，那不可避免地會(huì)因各部分所受重力不均勻?qū)е路瓷涿嫫x理想狀態(tài)，從而影響觀測(cè)結(jié)果。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，天馬望遠(yuǎn)鏡使用了1008塊高精度面板單元沿14圈拼裝而成，其中最大的一塊面板面積達(dá)到4.92平方米，最小的也有2.66平方米，且每塊面板的單元精度都達(dá)到0.1毫米。
這就是說(shuō)，天馬望遠(yuǎn)鏡的主反射面就像一張大拼圖畫，由1008塊大小不一、精度極高的小拼圖準(zhǔn)確拼接而成。這是國(guó)內(nèi)大尺度高精度面板設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的最高水平！
可是，光是這樣，仍然沒(méi)法達(dá)到要求。望遠(yuǎn)鏡在跟蹤觀測(cè)目標(biāo)的時(shí)候，不可避免地要轉(zhuǎn)動(dòng)、改變俯仰角，隨之而來(lái)的重力變形仍舊會(huì)導(dǎo)致反射面偏離理想狀態(tài)，繼而影響觀測(cè)。
一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際反射面偏離理想狀態(tài)的程度不能超過(guò)工作波長(zhǎng)的1/20。而天馬望遠(yuǎn)鏡的最短工作波長(zhǎng)是7毫米（對(duì)應(yīng)最高工作頻率為43吉赫），因此，設(shè)計(jì)要求，在任何情況下，實(shí)際反射面偏離理想反射面不得超過(guò)0.3毫米！
0.3毫米是什么概念呢？雞蛋殼的平均厚度大概就是0.33毫米。也就是說(shuō)，這塊面積將近4000平方米、由1008塊“小拼圖”拼成的反射面在工作狀態(tài)下，任何時(shí)刻都不能產(chǎn)生超過(guò)一個(gè)雞蛋殼厚的整體表面精度誤差！
為此，天馬望遠(yuǎn)鏡主反射面使用了國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的主動(dòng)調(diào)整技術(shù)。
具體來(lái)說(shuō)，就是“在每四塊面板單元相鄰角下與天線背架結(jié)構(gòu)的連接處安裝一臺(tái)促動(dòng)器”，工作時(shí)，由觀測(cè)室的主控計(jì)算機(jī)根據(jù)天線實(shí)際形變情況實(shí)時(shí)控制各臺(tái)促動(dòng)器進(jìn)行微調(diào)，以保證觀測(cè)效率與質(zhì)量。
這樣的促動(dòng)器共計(jì)1104臺(tái)，每一臺(tái)的定位精度都可以達(dá)到15微米——相當(dāng)于一根頭發(fā)絲直徑的1/3左右。
打個(gè)比方，主控計(jì)算機(jī)就像是大腦，1008塊反射面板單元好比是一塊塊肌肉，而促動(dòng)器則相當(dāng)于連接、控制肌肉的神經(jīng)。大腦在得到肌肉反饋回來(lái)的信息后，通過(guò)神經(jīng)指揮肌肉做出微調(diào)，更好地完成動(dòng)作。
天馬望遠(yuǎn)鏡正是通過(guò)這種“如臂使指”的方式克服了反射面形變帶來(lái)的影響，大大提高了觀測(cè)精度和效率。
反射面的形變問(wèn)題解決了，可是要想觀測(cè)到目標(biāo)，還有一個(gè)技術(shù)難題需要解決，那就是如何精準(zhǔn)定位、追蹤目標(biāo)天體。畢竟，設(shè)備本身性能再優(yōu)秀，找不到或是跟不住觀測(cè)對(duì)象，那也是白搭。
前面已經(jīng)提到過(guò)，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡可以360°轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，仰角最大也可以變化90°之多。正是憑借水平方向上的大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)、仰角的大幅變化，上海65米望遠(yuǎn)鏡才能主動(dòng)觀測(cè)大面積天區(qū)——它可以跟蹤觀測(cè)當(dāng)?shù)氐仄骄€5°以上的所有天體和航天器——而這也是它與FAST及阿雷西博的顯著區(qū)別之一：后兩者固定在某塊區(qū)域，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，也沒(méi)有仰角變化，只能依靠地球的自轉(zhuǎn)來(lái)觀測(cè)不同天區(qū)，因而在觀測(cè)面積和主動(dòng)性上差了不少。
不過(guò)，360°轉(zhuǎn)動(dòng)和最高可達(dá)90°的仰角變化，也帶來(lái)了一些技術(shù)挑戰(zhàn)，其中最主要的一個(gè)，就是如何保證這個(gè)重達(dá)2700多噸的大家伙在改變“姿勢(shì)”時(shí)保持穩(wěn)定和觀測(cè)精度、跟蹤精度。
那么，這個(gè)精度要求到底是多少呢？設(shè)計(jì)要求，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡的指向誤差不能超過(guò)3″——連手表上秒針跳一次劃過(guò)角度的1/2700都不到！
為了達(dá)到這個(gè)要求，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡建造于特制的鋼筋混凝土地基上，安裝了直徑達(dá)到42米的方位鋼軌；方位鋼軌上還裝有負(fù)責(zé)承接、驅(qū)動(dòng)天線的方位滾輪和驅(qū)動(dòng)裝置。這就是望遠(yuǎn)鏡能夠360°轉(zhuǎn)動(dòng)，最高90°俯仰的關(guān)鍵所在。
為了保證觀測(cè)精度，方位鋼軌采用無(wú)縫焊接技術(shù)，由30段單根軌道全焊接而成（這也是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)全軌道焊接），整個(gè)軌道平面度達(dá)到0.5毫米。換句話說(shuō)，這么大的方位軌道，最高處與最低處的高度誤差連大拇指指甲長(zhǎng)度的1/4都不到！這就為望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)精度奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
說(shuō)完了反射面、支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，就不得不提接收機(jī)了。
反射面天線收集到信號(hào)之后就會(huì)把它們會(huì)聚到接收機(jī)上來(lái)。然而，接收機(jī)本身也會(huì)產(chǎn)生信號(hào)，這就是噪聲。噪聲的存在會(huì)嚴(yán)重影響望遠(yuǎn)鏡的靈敏度。此外，接收機(jī)的噪聲與溫度有關(guān)，溫度越高，噪聲越大。因此，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡在所有波段都配備了高靈敏度致冷接收機(jī)，最大程度地降低了來(lái)自自身的熱噪聲，從而保證了靈敏度。
其實(shí)，除了上述技術(shù)難題之外，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡在研制過(guò)程中還碰到了各種大大小小的問(wèn)題。我國(guó)科學(xué)家和工程師花費(fèi)了巨大的心血、付出了巨大的努力才將其一一解決。
在整個(gè)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用中，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡共獲得專利30余項(xiàng)，發(fā)表論文100余篇。望遠(yuǎn)鏡的最高分辨率達(dá)到了22″。上海65米射電望遠(yuǎn)鏡已成為全球前三、亞洲最大、性能優(yōu)越的全方位可動(dòng)單孔徑大型射電望遠(yuǎn)鏡。
天馬望遠(yuǎn)鏡的落成，改變了國(guó)內(nèi)只有中小型射電望遠(yuǎn)鏡的局面，標(biāo)志著我國(guó)射電天文學(xué)逐漸躋身國(guó)際領(lǐng)先水平。
自2012年年末建成并投入使用后，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡迅即成為國(guó)內(nèi)天文觀測(cè)的一大利器。它的身影出現(xiàn)在了諸多重點(diǎn)工程之中，比如大家耳熟能詳?shù)摹版隙稹惫こ獭ⅰ疤交稹比蝿?wù)。
天馬望遠(yuǎn)鏡在“嫦娥”工程中主要擔(dān)任“指路人”的角色，為探測(cè)器及月球車準(zhǔn)確指引方向。在2012年的“嫦娥二號(hào)”小行星探測(cè)任務(wù)、2013年的“嫦娥三號(hào)”月球軟著陸任務(wù)、2014年的探月三期再入返回飛行試驗(yàn)器任務(wù)、2018年的“嫦娥四號(hào)”中繼星和著陸巡視器VLBI測(cè)定軌任務(wù)、2020年的“嫦娥五號(hào)”VLBI測(cè)定軌任務(wù)中，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡都表現(xiàn)出色，很好地為“嫦娥”工程保駕護(hù)航。
說(shuō)到這里，你一定好奇VLBI是什么，畢竟這四個(gè)字母似乎總是在天文學(xué)方面的新聞里出現(xiàn)呢！
VLBI就是英文Very Long Baseline Interferometry的首字母縮寫，含義是“甚長(zhǎng)基線干涉”技術(shù)。我們知道，望遠(yuǎn)鏡的口徑是越大越好，可是建造像天馬望遠(yuǎn)鏡這樣65米口徑的儀器已經(jīng)很難了，那要怎么進(jìn)一步大幅提高望遠(yuǎn)鏡的有效觀測(cè)口徑呢？
正是為了解決這個(gè)問(wèn)題，VLBI出現(xiàn)了。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，具體實(shí)踐方式是這樣的：
多臺(tái)相距遙遠(yuǎn)的射電望遠(yuǎn)鏡各自獨(dú)立地同時(shí)在同一個(gè)波段觀測(cè)同一個(gè)目標(biāo)，然后再將這些數(shù)據(jù)匯總起來(lái)，加以干涉處理，獲得結(jié)果。
通過(guò)VLBI技術(shù)，有效觀測(cè)口徑就可以從單個(gè)望遠(yuǎn)鏡的幾十米、幾百米，擴(kuò)展到幾千千米。
就拿指引“玉兔號(hào)”月球車展開月面探測(cè)的中國(guó)VLBI網(wǎng)來(lái)說(shuō)，它由位于上海、北京、昆明、烏魯木齊的射電望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成，有效觀測(cè)口徑相當(dāng)于3000多千米，從而大幅提高了觀測(cè)精度和分辨率。
那么，這個(gè)VLBI觀測(cè)網(wǎng)究竟有多精準(zhǔn)呢？玉兔號(hào)月球車的長(zhǎng)寬高也就是一米多，而地球與月球更是相距38萬(wàn)千米之遙?？蓱{借我國(guó)的VLBI網(wǎng)，就可以在這么遠(yuǎn)的距離上，監(jiān)測(cè)出玉兔號(hào)這個(gè)“小家伙”10厘米的移動(dòng)，實(shí)在是太強(qiáng)大了！
而上海65米射電望遠(yuǎn)鏡正是這個(gè)VLBI網(wǎng)的重要成員，它的存在讓觀測(cè)網(wǎng)靈敏度上升了42%。不光如此，它還是歐洲VLBI網(wǎng)的成員，使其靈敏度提高了15%～35%。它更是東亞VLBI網(wǎng)當(dāng)之無(wú)愧的核心望遠(yuǎn)鏡。
除了服務(wù)國(guó)家航天任務(wù)之外，天馬望遠(yuǎn)鏡在射電天文觀測(cè)研究（如分子譜線探測(cè)、脈沖星研究等）上也取得了諸多成果，例如：探測(cè)到了“北天周期最短的毫秒脈沖星”，發(fā)現(xiàn)了“銀心磁星”具有周期躍變現(xiàn)象等。
毫無(wú)疑問(wèn)，上海65米射電望遠(yuǎn)鏡未來(lái)仍將在我國(guó)的探月四期任務(wù)、探測(cè)火星任務(wù)、探測(cè)深空任務(wù)等重大工程中發(fā)揮重要作用，也仍將在脈沖星觀測(cè)、分子譜線觀測(cè)、大質(zhì)量恒星演化、活動(dòng)星系核、X射線源乃至黑洞的相關(guān)研究中大展拳腳。
除此之外，正是因?yàn)橛辛松虾?5米射電望遠(yuǎn)鏡的成功研制經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)技術(shù)，110米口徑全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目（QTT）也已經(jīng)獲批。該項(xiàng)目選址于新疆昌吉州奇臺(tái)縣，因而也叫作奇臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。奇臺(tái)望遠(yuǎn)鏡建成后，將成為世界上最大的全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡。
“美國(guó)天眼”阿雷西博望遠(yuǎn)鏡雄踞射電望遠(yuǎn)鏡之巔足足半個(gè)世紀(jì)有余，如今卻無(wú)奈慘淡收?qǐng)?。相較之下，我國(guó)的射電天文事業(yè)雖起步較晚，但靠著幾代人的努力，終于憑借上海65米射電望遠(yuǎn)鏡和FAST這兩大天文觀測(cè)利器，成功躋身世界一流之列。
這些大國(guó)重器是中華民族智慧與汗水的結(jié)晶。勤勞、勇敢、聰慧的中國(guó)人民也終將通過(guò)這些中華利器重現(xiàn)我國(guó)古代天文學(xué)曾經(jīng)擁有的榮光，并由此開拓更為燦爛的未來(lái)。
“世界科學(xué)”聯(lián)合“賽先生”微信公號(hào)，在上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助下，開辟“走近科學(xué)”欄目，對(duì)獲得國(guó)家及上海市科技獎(jiǎng)勵(lì)的成果進(jìn)行科普化報(bào)道。
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