遥望月亮之上 横跨东西的深空探测“巨眼”开建

发布时间:2024-03-01 05:09:29 来源: sp20240301

望远镜项目建设人员在日喀则打井取水。中国科学院上海天文台供图

  科研人员冒着风雪在长白山林道上进行电磁环境测量。中国科学院上海天文台供图

长白山40米口径射电望远镜施工前的站址环境。中国科学院上海天文台供图

  一段时间以来,横跨东西的深空探测“巨眼”陆续开建引发关注:9月15日,中国科学院上海天文台40米口径射电望远镜项目,在西藏自治区日喀则市西约35公里处观测站址正式开工;10月11日,长白山40米口径射电望远镜建设项目在吉林省长白山保护开发区举办项目推进与科学研讨会,建设工作也在紧锣密鼓地进行。

  “根据国家重大专项探月工程四期的部署,为了应对多个月球与深空探测器的观测需求,我们获得国家批复在西藏日喀则、吉林长白山分别建设一台40米口径射电望远镜。建成后将形成‘六站一中心’的双子网VLBI(甚长基线干涉测量)测轨分系统。”中国科学院上海天文台台长沈志强对中青报·中青网记者说。

  人类从未停止对未知的探索。在这个过程中,科学家的目光总是投向神秘而迷人的月球。探月工程四期,就是在我国对月球多次探测的基础上,为进一步认识和理解月球以及更遥远的深空而提出来的。

  在西藏日喀则海拔约4100米的山岭间,在吉林长白山浩瀚森林中,两只巨大的“眼睛”即将出现在苍穹之下,与之前已经建好的4只“眼睛”,一起遥望月亮之上,甚至望向火星、木星,或许还可以看得更远。

  从“光学望远镜”到“射电望远镜”

  正在日喀则建设的40米口径射电望远镜,是一架大型全可动高精度多用途射电望远镜,未来计划配备8个波段致冷接收机,具有1千兆赫兹到100千兆赫兹的观测能力。

  “西藏日喀则天文观测条件优越,为VLBI长基线、高精度测量提供了得天独厚的条件。相信40米射电望远镜项目的建成,能够更好地满足多目标跟踪测量的需求,确保探月和深空探测任务的顺利实施。”中国科学院副院长、党组成员丁赤飚在项目启动会致辞中说。

  1932年,美国无线电工程师卡尔·央斯基用无线电天线探测到来自银河系中心人马座方向的射电辐射,打开了人类在传统光学波段之外进行天文观测的第一个窗口,标志着射电天文学诞生。

  20世纪60年代,高稳定原子频标技术和高速磁记录技术不断发展,射电天文学家在传统的连线干涉仪基础上,创建了以“独立本振”和“磁介质记录”为特点的VLBI技术。此后,美国、欧洲、日本、澳大利亚等地的VLBI网相继投入使用。

  20世纪80年代,在中国科学院院士叶叔华的带领下,上海天文台建立了我国第一台25米口径的射电望远镜,开启了我国射电干涉测量技术的发展之路。

  “2004年我国探月工程正式立项,上海天文台主动提出,将天文观测领域的甚长基线干涉测量技术用于月球探测器的精密测定轨。”沈志强说。

  自2007年起,上海天文台牵头建立VLBI测轨分系统,此后的十几年中,测量精度和实时性逐渐提高,圆满完成了嫦娥一号到嫦娥五号,以及天问一号的VLBI测定轨任务。

  中国科学院所属中国VLBI网基于自主技术建设,在国际上首次将实时VLBI技术用于月球与深空探测器的高精度测定轨、定位,在探月工程历次任务和首次火星探测任务中都“发挥了不可替代的重要作用”。

  2021年12月,探月工程四期任务正式立项。等到西藏日喀则、吉林长白山两台新的40米口径望远镜建成,将形成新的望远镜阵列,继续参与到我国深空探测的重大任务中去。

  据沈志强介绍,每3台望远镜能够组成一个VLBI网的最小组网配置。之前,我国月球与火星探测测控系统VLBI测轨分系统,包括北京密云、新疆乌鲁木齐、云南昆明和上海天马4个台站以及上海数据处理中心,简称“四站一中心”。

  未来的“六站”与原先的“四站”不同,将不再包含原来的北京密云站。日喀则和长白山两台40米射电望远镜建成后,将与上海65米天马望远镜、上海25米佘山望远镜、云南昆明40米望远镜、乌鲁木齐南山26米望远镜和上海VLBI数据处理中心一起,共同构成中国科学院上海天文台的“六站一中心”观测网。

  从“高原戈壁”到“林海雪原”

  相对于上海天马望远镜的经度位置,长白山望远镜向东增加了6.6度,将比天马望远镜早26分钟捕获到深空目标。

  由于VLBI技术本身的特点,望远镜之间的距离越长,基线也就越长,所形成“虚拟望远镜”的等效口径就越大,多个望远镜联合观测的分辨本领也越高。长白山和日喀则,两台望远镜东西相顾,把我国原有的VLBI网基线,从3200公里拉长到了3800公里,让最大角分辨率提升了18%。

  日喀则地处西藏高原,平均海拔超过4000米。在这里,天高云淡,空气稀薄,人烟稀少,电磁波干扰也少。

  独特的环境条件,使得日喀则成为天文观测的理想之地。科学家们相信,在这样的环境中,射电望远镜能够更敏锐地捕捉到来自宇宙深处的微弱信号,帮助人类更深入地了解宇宙的奥秘。

  从选址、定界、水电配套建设,到土地划拨等各个方面,科学家们都面临诸多挑战。

  2019年4月,西藏科技厅的工作人员前往现场进行考察。那是一片尚未被开发的地方,烈日炙烤下,放眼望去更多的是沙砾和岩石。当年12月,选址组测量和圈出了征地区域,并用木桩和彩旗标记。

  两年后,上海市科学技术委员会的工作人员也来这里进行了现场考察。此后,日喀则观测站的气象站建设并投入使用。紧接着,塔基和观测楼的方案设计完成,随后是北线电力设施的建设和测试。

  高原地区环境条件恶劣,施工难度大,对施工人员的专业技能和身体素质都是极大的考验。由于地理位置的特殊性,物资运输和设备安装,也都让施工者面临巨大的挑战。

  井打下去,站址才有水;电线杆立起来,站址才有电。

  地质详勘工作也在进行着。环境钻探机扎进地里,把岩芯一管一管抽出来,供相关专家研究判断,确定当地的地质条件,能够满足40米口径射电望远镜桩基的承载要求。

  按照计划,日喀则望远镜将在今年年底前完成天线塔基地下部分建设,2024年底前具备初步观测能力。2025年年底前,观测站整体竣工。

  与日喀则望远镜遥遥相望的长白山望远镜,预计能在2024年年底前具备初步观测能力,它也将成为我国最东边的射电望远镜。按照计划,未来它将配备7个波段高灵敏度致冷接收机,实现700兆赫兹至50千兆赫兹连续频谱覆盖,以及S/X双频段同时观测,具备升级到86千兆赫兹观测的潜力。

  与高原的缺氧和紫外线不同,长白山格外缺乏阳光的关照,冬季寒冷又漫长。每年11月,保护开发区内就成了一片“林海雪原”,气温逐渐降至零下二三十摄氏度,甚至更低。严寒袭来,土地冻结,根本无法施工,要一直等到来年4月开春“解冻”。

  一年只有不到一半的时间适合施工,在这样的情况下,为确保在2024年年底前完成长白山望远镜及其台站建设,项目团队不得不争分夺秒。

  在不久的将来,两台望远镜将共同助力中国VLBI网具备“双子网、双目标”能力。

  从“重大工程”到“科学探测”

  据上海天文台专家介绍,长白山望远镜的天线系统采用全实面面板,单块面板精度优于80微米,主反射体面型精度优于0.3毫米;最高指向精度优于5角秒;采用整体保温技术,主反射体背架用保温材料包裹,确保望远镜在东北的严寒环境中正常运行。

  日喀则望远镜项目开工当天,丁赤飚提出,希望在完成项目建设的同时,也能发挥科技设施的“磁力”效应,集聚、培养顶尖科技人才扎根西部。依托该项目,当地可以打造航天工程和天文科普基地,推动经济、科学、文化、教育和旅游发展。

  在叶叔华看来,嫦娥系列探月工程、天问一号火星探测工程以及天宫空间站等一系列航天领域重大工程的实施,彰显了我国航天领域蓬勃发展的强大力量。

  “在这些重大深空探测任务顺利实施的同时,我国天文基础探测领域也在悄然发生着重大变革。”她说。

  贵州的FAST“中国天眼”、四川稻城的“圆环阵太阳射电成像望远镜”、新疆奇台的110米口径全向可动射电望远镜……一批重大科学基础设施陆续建设,叶叔华相信,新的射电望远镜建成后,在探月工程以及小行星、火星、木星等深空探测任务中,也会发挥重要作用。

  VLBI网的建成,还将有助于提升我国射电天文科学研究能力,推动科学家在超大质量黑洞等一系列天文学前沿领域的研究中取得更多创新性成果。

  深空探测的规划足够长远,来自中国的科学家将遥望月亮,然后是火星、木星,乃至整个太阳系。

  中青报·中青网记者 张渺 来源:中国青年报

【编辑:刘欢】