S=沈志强 H=华东科技
大型射电望远镜是深空探测器导航和天文学研究等领域的关键基础设施,代表了一个国家的综合创新能力。我国先后建设了口径为25米至50米的4面射电望远镜,它们与上海VLBI(甚长基线干涉测量)中心一起圆满完成了嫦娥一号精密测定轨任务。但与国际先进水平相比,我国当时的射电望远镜天线口径小、观测频率低,严重制约着未来执行国家深空探测重大任务和开展射电天文观测研究能力。由此,从2008年起,中科院、上海市和探月工程联合出资,由上海天文台负责开始研制一台具有多种科学用途的世界级大型射电望远镜系统,即上海65米射电望远镜,建设地点在上海市松江佘山基地。
建设大型射电望远镜,需要攻克高精度指向、高接收效率、低温宽频带接收、复杂灵活控制、综合性能测试和模型建立等一系列技术难题,是一个国家综合创新能力的集中体现。该项目的完成为我国探月工程、深空探测提供了有力的支撑。
克服技术难关,探寻未知深空
该系统攻克了40多项关键技术和集成创新,建成了我国第一台性能先进、功能齐全的全可动大型射电望远镜系统,实现了我国建设世界级大型射电望远镜的目标。
H:天马望远镜的立项背景是什么?
S:美国贝尔实验室的工程师央斯基为了探究可能影响横跨大西洋的无线电电话业务的静电干扰,建造了一座“旋转木马”天线,其底座可以旋转,以便“倾听”来自天空不同方向的“噪声”。经过数月观测,央斯基于1932年在频率20.5兆赫(约14.6米波长)上发现并确认了来自银河系中心的射电辐射,该发现于1933年正式发表,由此标志着射电天文学的诞生,打开了人类观测宇宙的新窗口。为了纪念这位射电天文学先驱,IAU于1973年通过决议,用“央斯基”作为天体射电流量密度的单位。
20世纪60年代的四大天文发现——类星体、脉冲星、星际分子和宇宙微波背景辐射均来自射电天文观测。迄今为止,12项授予天文学的诺贝尔物理奖中有6项是射电天文学的成就。目前,国际最大de 地面天文项目ALMA和SKA都工作在射电波段。
大型射电望远镜是深空探测器导航、天文学研究等领域的关键基础设施,代表了一个国家的综合创新能力。国际上先后建设了澳大利亚64米的Parkes、德国100米的Effelsberg、美国110米的GBT和意大利64米的SRT大型射电望远镜。
2007年,我国由四台射电望远镜(上海25米、新疆25米、北京50米和昆明40米)和上海数据处理中心组成的甚长基线干涉测量(VLBI)网(中国VLBI网),作为探月工程VLBI测轨分系统,对探月工程国家重大专项(嫦娥一号)的精密测定轨任务做出了重大贡献。
但是,与国际先进水平相比,我国当时的射电望远镜天线口径小、工作频率低,严重制约着未来执行国家深空探测重大任务和开展射电天文观测研究能力,不能满足国家的战略需求。
2008年,中科院和上海市联合立项,由中科院、上海市和探月工程共同出资,上海天文台负责在上海建造一台具有多种科学用途的世界级大型可转动射电望远镜。2009年12月29日奠基,2010年3月19日开始现场建设,2012年10月28日落成,标志着望远镜工程建设任务的初步完成。2017年10月27日,上海天文台天马望远镜通过总体验收。
H:该技术的主要内容包括哪些方面,具备哪些创新点?
S:上海天文台联合中国电科54所、上海交通大学、中国电科16所等单位,圆满完成了上海65米射电望远镜的各项建设目标,主要技术创新内容分为两个部分。第一,建成了国内首台性能先进、功能齐全的大型射电望远镜系统,使我国真正拥有了建设大型射电望远镜系统的综合能力。第二,取得了大型射电望远镜研发中的一系列关键技术创新和突破,包括:研发了国内首套大型射电望远镜主反射面主动调整系统;国内首次采用了高精度焊接环型整体轨道设计与制造技术和六杆并联机构副反射面调整技术;在我国首次综合利用相位参考全息和相位恢复全息测量技术,构建了重力形变修正模型,实现了高精度的大型望远镜天线等,确保望远镜整体技术达到国际先进水平。
创新点有三个方面,第一,开展大型射电望远镜的集成创新技术研究,攻克了40多项关键技术,建成了性能先进、功能齐全的大型射电望远镜系统,标志着我国完全掌握了大型射电望远镜研发核心技术。采用天线座架、俯仰大齿轮、主反射面三个工位同时建设的大型天线整体安装与吊装技术创新方案,把大型天线的建设周期由通常的6年缩短至3年,创造了中国速度。
第二,研发了国内首套大型射电望远镜主反射面主动调整系统,已稳定运行7年,故障率仅为0.3%,相对于国际同类系统,可靠性首屈一指。
第三,综合发展了5项创新性技术,实现了3角秒高精度指向,为国际先进水平。 (3角秒即1200分之一度,等同于手表的秒针每走一格转过的角度的7200分之一)。
H:与国内外同类技术比较,天马望远镜处于什么水平?
S:天马望远镜的总体性能指标在国际上排名前三。特别是,天马望远镜通过主反射面主动调整系统的实现,保证了所有频段任意仰角的高效率和高灵敏度,目前只有美国110米口径的GBT做到这一点。而比天马望远镜提前5年建设目前尚未完工的意大利64米口径SRT,其主动面系统已经发生了严重故障,需要重新部署。
大国重器,为后续研发奠基
天马望远镜显著的创新成效标志着我国在大型射电望远镜研发上取得了新的突破,在我国探月工程、深空探测以及国际联测中发挥着不可替代的作用。
H:技术主要应用于哪些方面?
S:从国家任务出发,上海65米射电望远镜已先后圆满完成了2012年的嫦娥二号扩展任务、2013年的嫦娥三号任务、2014年的探月三期再入返回飞行试验器以及2018年嫦娥四号中继星VLBI测定轨任务。
就国际联测而言,天马望远镜以其超高灵敏度成为国际VLBI网的重要测站,显著提升国际VLBI网的整体观测能力和我国在国际VLBI网中的显示度。作为目前国内VLBI台站中唯一具备43GHz观测能力的天马望远镜与由韩国3台站和日本4台站组成的东亚VLBI网已成功开展VLBI科学观测,天马望远镜的加入使得东亚VLBI网的成图质量提高约50%,在黑洞等致密天体研究中发挥关键作用。2015年成为欧洲VLBI网(EVN)成员,由于其超高灵敏度,天马望远镜多次被选为基准参考测站。此外,天马望远镜参加国际测地网天体测量观测,显著提升了观测成功率。
在天文研究方面,天马望远镜在脉冲星和谱线射电天文研究中取得了一系列原创性成果,实现了对外开放。在运行初期即成功捕捉到银河系中心黑洞附近磁星的射电爆发,宇宙中仅有四颗已知磁星具有射电辐射,为磁星的研究提供了重要观测结果。天马望远镜对银河系中心巨分子云Sgr B2中的乙醇醛和乙二醇分子进行了高灵敏度成图,发现这两个分子的空间分布非常延展,表明在银河系中心存在丰富的复杂有机分子。
H:项目将产生哪些经济社会效益?
S:该项目以“亚洲第一射电望远镜建成”入选了2012年中国十大科技进展新闻、2012年度国防科技工业十大新闻、2012年上海十大科技进展第一名和2012年度“十大天文科技进展”等。
自2014年起,该项目参加了中科院公众科学日及上海科技活动周的相关活动,设置定期的开放日,免费向社会公众开放,包括实地参观、科学家讲解、动画片和互动结合等方式,并且每年接受各大学、各研究所、各协会等单位的考察团队50组以上。
(注:第一完成人:沈志强,第二完成人:杜彪,第三完成人:刘庆会)