遥望月亮之上

中国科学院上海天文台“六站一中心”观测网的重要组成部分上海65米天马望远镜望月。视觉中国供图(资料图)

一段时间以来,东西向深空探测“天眼”建设引人关注:9月15日,中科院上海天文台40米口径射电望远镜项目在西藏自治区日喀则以西约35公里的观测站址正式开工;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行项目推进暨科学研讨会,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第四期的部署,为满足多台月球和深空空探测器的观测需求,我们获得国家批准,在西藏日喀则和吉林长白山建设40米口径射电望远镜。建成后将形成‘六站一中心’双网VLBI(甚长基线干涉测量)轨道测量子系统。”中科院上海天文台台长沈志强告诉中国青年报·中青网记者。

人类从未停止探索未知。在这个过程中,科学家们总是把目光投向神秘而迷人的月球。探月工程四期是在我国多次探月的基础上,为了进一步认识和了解月球及其更进一步的深度而提出的空。

在西藏日喀则海拔4100米左右的大山里,在吉林长白山的茫茫林海中,两个巨大的“眼睛”即将出现在天空之下,与之前已经建成的四个“眼睛”一起,遥望月球,甚至火星、木星,或许还能看得更远。

望远镜项目的建设者们在日喀则打井取水。中国科学院上海天文台供图

从“光学望远镜”到“射电望远镜”

日喀则在建的40m口径射电望远镜是一台大型全移动高精度多用途射电望远镜,未来计划安装8台波段制冷接收机,观测能力为1 GHz至100 GHz。

“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。我相信,40米射电望远镜工程的建成,能够更好地满足多目标跟踪测量的需求,保障探月和深空空探测任务的顺利实施。”中国科学院副院长、党组成员丁赤标在项目启动会上发言时说。

1932年,美国射电工程师卡尔·扬斯基(karl jansky)用射电天线探测到银河系中心人马座的射电发射,开启了人类在传统光学波段之外进行天文观测的第一扇窗,标志着射电天文学的诞生。

20世纪60年代,随着高稳定度原子频标技术和高速磁记录技术的发展,射电天文学家在传统有线干涉仪的基础上,创造了具有“独立本振”和“磁介质记录”特征的VLBI技术。此后,美国、欧洲、日本和澳大利亚的VLBI网络相继投入使用。

20世纪80年代,在中国科学院院士叶树华的领导下,上海天文台建立了中国第一台25米口径射电望远镜,开辟了中国无线电干涉测量技术的发展道路。

“2004年,中国探月工程正式立项,上海天文台率先将天文观测领域的甚长基线干涉测量技术应用于月球探测器的精密定轨。”沈志强说。

自2007年以来,上海天文台率先建立了VLBI轨道测量子系统。随后的十年间,测量精度和实时性逐步提高,圆满完成了嫦娥一号至嫦娥五号和田文一号VLBI轨道测量任务。

科研人员冒着风雪在长白山林道上测量电磁环境。中国科学院上海天文台供图

中国科学院中国VLBI网基于自主技术建设,在国际上首次使用实时VLBI技术对月球和深空空探测器进行高精度定轨定位,在历次探月工程和首次火星探测任务中“发挥了不可替代的作用”。

2021年12月,探月工程四期正式立项。当位于西藏日喀则和吉林长白山的两台新的40米口径望远镜建成后,将组成新的望远镜阵列,继续参与我国深空空探测的重要任务。

根据沈志强的说法,每三台望远镜可以组成一个最小配置的VLBI网络。此前,我国月球与火星探测控制系统VLBI轨道测量分系统包括北京密云、新疆乌鲁木齐、云南昆明和上海天马四个站,以及上海数据处理中心,简称“四站一中心”。

未来的“六站”不同于原来的“四站”,不再包括原来的北京密云站。日喀则和长白山两台40m射电望远镜建成后,将与上海65m天马望远镜、上海25m佘山望远镜、云南40m望远镜、乌鲁木齐南山25m望远镜和上海VLBI数据处理中心一起,组成中科院上海天文台“六站一中心”观测网。

长白山40米口径射电望远镜建设前的场地环境。中国科学院上海天文台供图

从“高原戈壁”到“林海雪原”

与上海天马望远镜的经度位置相比,长白山望远镜向东增加了6.6度,将比天马望远镜提前26分钟捕捉到深空目标。

由于VLBI技术本身的特点,望远镜之间的距离越长,基线越长,形成的“虚拟望远镜”的等效孔径越大,多台望远镜联合观测的分辨率越高。长白山和日喀则,两台望远镜兼顾东西,将我国原有VLBI网基线从3200km延长到3800km,最大角分辨率提高18%。

日喀则位于青藏高原,平均海拔4000米以上。这里天高云淡,空气体稀薄,人烟稀少,电磁干扰少。

独特的环境条件使日喀则成为天文观测的理想场所。科学家认为,在这样的环境下,射电望远镜可以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。

科学家面临着选址、划界、水电配套建设、土地分配等诸多挑战。

2019年4月,西藏科技厅工作人员赴现场考察。这是一个未开发的地方。在烈日下,它看起来更像沙子和岩石。当年12月,选址小组对征地区域进行了测量和圈定,并用木桩和彩旗进行了标记。

两年后,上海市科委的工作人员也来到这里实地考察。此后,日喀则天文台气象站建成并投入使用。然后,完成了塔基和观测楼的设计,接着是北线电力设施的建设和测试。

高原地区恶劣的环境条件,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,材料运输和设备安装也使建设者面临巨大挑战。

打井时,站址会有水;电线杆竖起来了,站址就有电了。

详细的地质调查也在进行中。环境钻机深入地下,逐管拔出芯管,供有关专家研究判断,确定当地地质条件,可满足40米口径射电望远镜桩基的承载要求。

按照计划,日喀则望远镜将于今年年底完成天线塔基座地下部分的建设,2024年底具备初步观测能力。到2025年底,天文台将整体建成。

长白山望远镜,正对日喀则望远镜,预计2024年底前具备初步观测能力,它也将成为中国最东端的射电望远镜。根据计划,未来它将配备7个波段的高灵敏度制冷接收机,实现700 MHz至50 GHz的连续频谱覆盖和S/X双波段的同时观测,具有升级到86 GHz的潜力。

与高原缺氧缺紫外线不同,长白山特别缺乏阳光的呵护,冬天寒冷漫长。每年11月,受保护的开发区就变成了“雪域森林”,气温逐渐下降到零下二三十摄氏度,甚至更低。寒流来袭,土地结冰,无法施工。我们要等到明年4月开春才能“解冻”。

半年以内适合施工。在这种情况下,项目组必须争分夺秒,确保在2024年底前完成长白山望远镜及其台站的建设。

在不久的将来,两台望远镜将共同帮助中国VLBI网络具备“双网双目标”的能力。

从“重大项目”到“科学探索”

据上海天文台专家介绍,长白山望远镜天线系统采用全面板,单板精度优于80微米,主反射面精度优于0.3毫米;最高指向精度优于5秒;采用整体隔热技术,主反射镜背框包裹隔热材料,保证望远镜在东北寒冷环境下的正常工作。

日喀则望远镜项目开工当天,丁赤标提出,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,聚集和培养顶尖科技人才扎根西部。依托该项目,当地可以建设航天工程和天文科普基地,促进经济、科学、文化、教育、旅游的发展。

在叶树华看来,嫦娥系列探月工程、田文一号火星探测工程、天宫空站等一系列航天领域重大工程的实施,彰显了中国在航天领域蓬勃发展的强大力量。

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

贵州FAST五百米口径球面射电望远镜、四川稻城环形阵列太阳射电成像望远镜、新疆奇台110米全向可移动射电望远镜…一批重大科学基础设施相继建成。叶树华认为,新的射电望远镜还将在月球探测工程和小行星、火星和木星的深空空探测任务中发挥重要作用。

VLBI网络的建成也将有助于提升我国射电天文研究能力,推动科学家在超大质量黑洞等一系列天文前沿领域取得更多创新成果。

deep 空探测的规划足够长,中国的科学家会看月球,然后是火星、木星,甚至整个太阳系。

中青报王忠清记者张伟来源:中国青年报

您可能还喜欢...