遙望月亮之上 橫跨東西的深空探測“巨眼”開建
一段時間以來,橫跨東西的深空探測“巨眼”陸續(xù)開建引發(fā)關(guān)注:9月15日,中國科學(xué)院上海天文臺40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目,在西藏自治區(qū)日喀則市西約35公里處觀測站址正式開工;10月11日,長白山40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)項(xiàng)目在吉林省長白山保護(hù)開發(fā)區(qū)舉辦項(xiàng)目推進(jìn)與科學(xué)研討會,建設(shè)工作也在緊鑼密鼓地進(jìn)行。
“根據(jù)國家重大專項(xiàng)探月工程四期的部署,為了應(yīng)對多個月球與深空探測器的觀測需求,我們獲得國家批復(fù)在西藏日喀則、吉林長白山分別建設(shè)一臺40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡。建成后將形成‘六站一中心’的雙子網(wǎng)VLBI(甚長基線干涉測量)測軌分系統(tǒng)?!敝袊茖W(xué)院上海天文臺臺長沈志強(qiáng)對中青報(bào)·中青網(wǎng)記者說。
人類從未停止對未知的探索。在這個過程中,科學(xué)家的目光總是投向神秘而迷人的月球。探月工程四期,就是在我國對月球多次探測的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步認(rèn)識和理解月球以及更遙遠(yuǎn)的深空而提出來的。
在西藏日喀則海拔約4100米的山嶺間,在吉林長白山浩瀚森林中,兩只巨大的“眼睛”即將出現(xiàn)在蒼穹之下,與之前已經(jīng)建好的4只“眼睛”,一起遙望月亮之上,甚至望向火星、木星,或許還可以看得更遠(yuǎn)。
從“光學(xué)望遠(yuǎn)鏡”到“射電望遠(yuǎn)鏡”
正在日喀則建設(shè)的40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡,是一架大型全可動高精度多用途射電望遠(yuǎn)鏡,未來計(jì)劃配備8個波段致冷接收機(jī),具有1千兆赫茲到100千兆赫茲的觀測能力。
“西藏日喀則天文觀測條件優(yōu)越,為VLBI長基線、高精度測量提供了得天獨(dú)厚的條件。相信40米射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目的建成,能夠更好地滿足多目標(biāo)跟蹤測量的需求,確保探月和深空探測任務(wù)的順利實(shí)施?!敝袊茖W(xué)院副院長、黨組成員丁赤飚在項(xiàng)目啟動會致辭中說。
1932年,美國無線電工程師卡爾·央斯基用無線電天線探測到來自銀河系中心人馬座方向的射電輻射,打開了人類在傳統(tǒng)光學(xué)波段之外進(jìn)行天文觀測的第一個窗口,標(biāo)志著射電天文學(xué)誕生。
20世紀(jì)60年代,高穩(wěn)定原子頻標(biāo)技術(shù)和高速磁記錄技術(shù)不斷發(fā)展,射電天文學(xué)家在傳統(tǒng)的連線干涉儀基礎(chǔ)上,創(chuàng)建了以“獨(dú)立本振”和“磁介質(zhì)記錄”為特點(diǎn)的VLBI技術(shù)。此后,美國、歐洲、日本、澳大利亞等地的VLBI網(wǎng)相繼投入使用。
20世紀(jì)80年代,在中國科學(xué)院院士葉叔華的帶領(lǐng)下,上海天文臺建立了我國第一臺25米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡,開啟了我國射電干涉測量技術(shù)的發(fā)展之路。
“2004年我國探月工程正式立項(xiàng),上海天文臺主動提出,將天文觀測領(lǐng)域的甚長基線干涉測量技術(shù)用于月球探測器的精密測定軌?!鄙蛑緩?qiáng)說。
自2007年起,上海天文臺牽頭建立VLBI測軌分系統(tǒng),此后的十幾年中,測量精度和實(shí)時性逐漸提高,圓滿完成了嫦娥一號到嫦娥五號,以及天問一號的VLBI測定軌任務(wù)。
中國科學(xué)院所屬中國VLBI網(wǎng)基于自主技術(shù)建設(shè),在國際上首次將實(shí)時VLBI技術(shù)用于月球與深空探測器的高精度測定軌、定位,在探月工程歷次任務(wù)和首次火星探測任務(wù)中都“發(fā)揮了不可替代的重要作用”。
2021年12月,探月工程四期任務(wù)正式立項(xiàng)。等到西藏日喀則、吉林長白山兩臺新的40米口徑望遠(yuǎn)鏡建成,將形成新的望遠(yuǎn)鏡陣列,繼續(xù)參與到我國深空探測的重大任務(wù)中去。
據(jù)沈志強(qiáng)介紹,每3臺望遠(yuǎn)鏡能夠組成一個VLBI網(wǎng)的最小組網(wǎng)配置。之前,我國月球與火星探測測控系統(tǒng)VLBI測軌分系統(tǒng),包括北京密云、新疆烏魯木齊、云南昆明和上海天馬4個臺站以及上海數(shù)據(jù)處理中心,簡稱“四站一中心”。
未來的“六站”與原先的“四站”不同,將不再包含原來的北京密云站。日喀則和長白山兩臺40米射電望遠(yuǎn)鏡建成后,將與上海65米天馬望遠(yuǎn)鏡、上海25米佘山望遠(yuǎn)鏡、云南昆明40米望遠(yuǎn)鏡、烏魯木齊南山26米望遠(yuǎn)鏡和上海VLBI數(shù)據(jù)處理中心一起,共同構(gòu)成中國科學(xué)院上海天文臺的“六站一中心”觀測網(wǎng)。
從“高原戈壁”到“林海雪原”
相對于上海天馬望遠(yuǎn)鏡的經(jīng)度位置,長白山望遠(yuǎn)鏡向東增加了6.6度,將比天馬望遠(yuǎn)鏡早26分鐘捕獲到深空目標(biāo)。
由于VLBI技術(shù)本身的特點(diǎn),望遠(yuǎn)鏡之間的距離越長,基線也就越長,所形成“虛擬望遠(yuǎn)鏡”的等效口徑就越大,多個望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測的分辨本領(lǐng)也越高。長白山和日喀則,兩臺望遠(yuǎn)鏡東西相顧,把我國原有的VLBI網(wǎng)基線,從3200公里拉長到了3800公里,讓最大角分辨率提升了18%。
日喀則地處西藏高原,平均海拔超過4000米。在這里,天高云淡,空氣稀薄,人煙稀少,電磁波干擾也少。
獨(dú)特的環(huán)境條件,使得日喀則成為天文觀測的理想之地??茖W(xué)家們相信,在這樣的環(huán)境中,射電望遠(yuǎn)鏡能夠更敏銳地捕捉到來自宇宙深處的微弱信號,幫助人類更深入地了解宇宙的奧秘。
從選址、定界、水電配套建設(shè),到土地劃撥等各個方面,科學(xué)家們都面臨諸多挑戰(zhàn)。
2019年4月,西藏科技廳的工作人員前往現(xiàn)場進(jìn)行考察。那是一片尚未被開發(fā)的地方,烈日炙烤下,放眼望去更多的是沙礫和巖石。當(dāng)年12月,選址組測量和圈出了征地區(qū)域,并用木樁和彩旗標(biāo)記。
兩年后,上海市科學(xué)技術(shù)委員會的工作人員也來這里進(jìn)行了現(xiàn)場考察。此后,日喀則觀測站的氣象站建設(shè)并投入使用。緊接著,塔基和觀測樓的方案設(shè)計(jì)完成,隨后是北線電力設(shè)施的建設(shè)和測試。
高原地區(qū)環(huán)境條件惡劣,施工難度大,對施工人員的專業(yè)技能和身體素質(zhì)都是極大的考驗(yàn)。由于地理位置的特殊性,物資運(yùn)輸和設(shè)備安裝,也都讓施工者面臨巨大的挑戰(zhàn)。
井打下去,站址才有水;電線桿立起來,站址才有電。
地質(zhì)詳勘工作也在進(jìn)行著。環(huán)境鉆探機(jī)扎進(jìn)地里,把巖芯一管一管抽出來,供相關(guān)專家研究判斷,確定當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件,能夠滿足40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡樁基的承載要求。
按照計(jì)劃,日喀則望遠(yuǎn)鏡將在今年年底前完成天線塔基地下部分建設(shè),2024年底前具備初步觀測能力。2025年年底前,觀測站整體竣工。
與日喀則望遠(yuǎn)鏡遙遙相望的長白山望遠(yuǎn)鏡,預(yù)計(jì)能在2024年年底前具備初步觀測能力,它也將成為我國最東邊的射電望遠(yuǎn)鏡。按照計(jì)劃,未來它將配備7個波段高靈敏度致冷接收機(jī),實(shí)現(xiàn)700兆赫茲至50千兆赫茲連續(xù)頻譜覆蓋,以及S/X雙頻段同時觀測,具備升級到86千兆赫茲觀測的潛力。
與高原的缺氧和紫外線不同,長白山格外缺乏陽光的關(guān)照,冬季寒冷又漫長。每年11月,保護(hù)開發(fā)區(qū)內(nèi)就成了一片“林海雪原”,氣溫逐漸降至零下二三十?dāng)z氏度,甚至更低。嚴(yán)寒襲來,土地凍結(jié),根本無法施工,要一直等到來年4月開春“解凍”。
一年只有不到一半的時間適合施工,在這樣的情況下,為確保在2024年年底前完成長白山望遠(yuǎn)鏡及其臺站建設(shè),項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)不得不爭分奪秒。
在不久的將來,兩臺望遠(yuǎn)鏡將共同助力中國VLBI網(wǎng)具備“雙子網(wǎng)、雙目標(biāo)”能力。
從“重大工程”到“科學(xué)探測”
據(jù)上海天文臺專家介紹,長白山望遠(yuǎn)鏡的天線系統(tǒng)采用全實(shí)面面板,單塊面板精度優(yōu)于80微米,主反射體面型精度優(yōu)于0.3毫米;最高指向精度優(yōu)于5角秒;采用整體保溫技術(shù),主反射體背架用保溫材料包裹,確保望遠(yuǎn)鏡在東北的嚴(yán)寒環(huán)境中正常運(yùn)行。
日喀則望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目開工當(dāng)天,丁赤飚提出,希望在完成項(xiàng)目建設(shè)的同時,也能發(fā)揮科技設(shè)施的“磁力”效應(yīng),集聚、培養(yǎng)頂尖科技人才扎根西部。依托該項(xiàng)目,當(dāng)?shù)乜梢源蛟旌教旃こ毯吞煳目破栈?,推動?jīng)濟(jì)、科學(xué)、文化、教育和旅游發(fā)展。
在葉叔華看來,嫦娥系列探月工程、天問一號火星探測工程以及天宮空間站等一系列航天領(lǐng)域重大工程的實(shí)施,彰顯了我國航天領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的強(qiáng)大力量。
“在這些重大深空探測任務(wù)順利實(shí)施的同時,我國天文基礎(chǔ)探測領(lǐng)域也在悄然發(fā)生著重大變革?!彼f。
貴州的FAST“中國天眼”、四川稻城的“圓環(huán)陣太陽射電成像望遠(yuǎn)鏡”、新疆奇臺的110米口徑全向可動射電望遠(yuǎn)鏡……一批重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施陸續(xù)建設(shè),葉叔華相信,新的射電望遠(yuǎn)鏡建成后,在探月工程以及小行星、火星、木星等深空探測任務(wù)中,也會發(fā)揮重要作用。
VLBI網(wǎng)的建成,還將有助于提升我國射電天文科學(xué)研究能力,推動科學(xué)家在超大質(zhì)量黑洞等一系列天文學(xué)前沿領(lǐng)域的研究中取得更多創(chuàng)新性成果。
深空探測的規(guī)劃足夠長遠(yuǎn),來自中國的科學(xué)家將遙望月亮,然后是火星、木星,乃至整個太陽系。
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 張渺 來源:中國青年報(bào)
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