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北京日報客戶端 | 記者 王鴻良

據央視新聞報道，中國科學院新疆天文臺“110米口徑全向可動射電望遠鏡”不久前在新疆昌吉州奇臺縣正式奠基開工，它也被稱作奇臺射電望遠鏡。

按計劃，奇臺射電望遠鏡的建設周期為6年，建成后有望成為全球最大、精度最高的全向可動射電望遠鏡，可以在納赫茲引力波、快速射電暴、黑洞、暗物質、天體及生命起源等前沿領域開展科學研究，并為未來我國空間活動提供強大技術支撐。有人形容，它建成后將成為可以媲美“中國天眼”FAST的又一天文領域大國重器。我們邀請中國科技館助理研究員、天文學博士宋楠為您做詳細解讀。

(資料圖片)

奇臺射電望遠鏡示意圖

奇臺射電望遠鏡項目效果示意圖（來源：新疆天文臺）

（1）高頻波段覆蓋范圍將超“天眼”

說到能和“中國天眼”FAST相媲美，很多讀者可能會疑惑了，建設中的奇臺射電望遠鏡口徑只有110米，而“中國天眼”FAST口徑有500米，二者根本不在一個級別上，何談相媲美呢？關鍵問題就在一個能轉，一個不能轉。

“中國天眼”500米直徑的反射面架設在喀斯特地貌形成的山溝里，是固定不動的，實際工作時，反射面通過下方促動器的微調，形成一個等效口徑300米的拋物面進行觀測，能夠觀測的區域有限。

而奇臺射電望遠鏡是全向可動的，也就是說，它可以通過反射面下方的支撐裝置，實現水平方向360°，俯仰方向90°旋轉。

與“中國天眼”因為望遠鏡主體固定不動，只能觀測到少部分天區相比，全向可動的優勢讓奇臺射電望遠鏡能夠以極高的靈敏度觀測四分之三的天區，其中覆蓋天文界高度關注的銀河系中心及以南12°天區。工作頻率范圍從150兆赫茲到115吉赫茲，可以高精度觀測米級到毫米級的射電輻射。其中在高頻波段的覆蓋范圍要超過“中國天眼”。

然而要想讓望遠鏡轉起來，需要克服一系列的技術難題。

奇臺射電望遠鏡天線重量將達到6000余噸，高度超過35層樓，絕對是一個龐然大物。通過一個簡單類比，可以大概想象110米直徑的天線到底是什么概念。一個足球場的標準尺寸為長度105米，寬度68米。設想一下，讓一個比標準足球場還要大的“大鍋”自如轉動絕非易事。

首先，支撐望遠鏡轉動的平臺和結構不僅要足夠堅固，還要有較好的靈活性和超高的定位精度，不然對于處在遙遠宇宙深處的渺小天體而言，望遠鏡所對準的天空位置，真的會是“失之毫厘謬以千里”。奇臺射電望遠鏡的指向精度為2.5角秒。在地球上看，夜空中木星最大的視直徑約為50角秒，所以這口110米的“大鍋”，可以精確地指向只有木星1/20的狹小范圍。

其次，110米的巨大反射面在指向天空不同位置時，不同高度位置處重力不同、環境溫度不同、風向風速有差別，這些都會造成整個天線拋物面形狀的改變，如果不做修正，不同方向來的射電信號就無法很好的匯聚在同一個焦點上。因此復雜環境下的天線形態保持變得非常重要。為了達到0.3毫米的面形精度要求，工程人員計劃采用主動面技術，做到天線面型的快速測量，并使用高精度位移促動器進行快速修正。

當然，要攻克的技術難題還遠不止這些，而且并無先例可循。極端苛刻的工程技術要求，需要基于已有的相關知識，進行自主創新和不斷地實驗，才能最終實現。

（2）全球可動射電望遠鏡中口徑最大

奇臺射電望遠鏡除了可以自由轉動外，它還有望成為能轉動的望遠鏡里口徑最大的，這同樣很重要。天文望遠鏡一直都遵循“口徑為王”的鐵律，不管是什么波段的望遠鏡，口徑越大，就能看到更遠更暗弱的天體，帶來更多嶄新的天文學發現，射電望遠鏡的發展歷史同樣如此。與我們熟悉的光學天文和光學望遠鏡相比，射電天文雖然起步較晚卻發展迅猛。

20世紀30年代初，美國貝爾實驗室的卡爾·央斯基將30米長、6米高的天線架設在圓形轉盤上，使天線可以任意方向旋轉，從而能夠定位到接收信號的方向。他利用這臺類似“旋轉木馬”的天線，不僅收到了大自然中雷電所產生的射電信號，還首次探測到了來自銀河系中心的射電輻射，開啟了射電天文學的大門。

在得知央斯基的研究后，電子工程師格羅特·雷伯于1937年造出了一架口徑為9.45米的拋物面射電望遠鏡，這是人類歷史上第一臺用于天文觀測的射電望遠鏡。隨后，更多射電望遠鏡參照這臺望遠鏡的結構和模樣被建造出來。其中二戰后大量軍用雷達被廣泛用于民用天文觀測，同時大批天文專用的射電望遠鏡相繼建成運行，使射電天文學進入蓬勃發展的黃金期，直接促成了上世紀60年代現代天文學的四大發現——類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波背景輻射。

分辨率和靈敏度是衡量射電望遠鏡性能的兩個重要指標。分辨率是指區分兩個彼此靠近射電目標的能力，分辨率越高就能將越近的兩個目標分開，可以理解為“看得清”。對于單個天線的射電望遠鏡來說，天線的直徑越大分辨率越高。靈敏度是指射電望遠鏡“最低可測”的能量值，這個值越低靈敏度越高。射電信號的來源很多，除了人類自身產生，還有來自雷電之中等等，真正來自宇宙天體的射電信號通常非常微弱，被淹沒在各種噪聲中，很難“看得到”。增大天線接收面積是提高靈敏度的重要方法之一。所以射電望遠鏡只有越做越大，才能擁有更高的分辨率和靈敏度，讓我們在射電波段“看”到更遠、更清晰的宇宙。

目前世界上最大的全向可動射電望遠鏡，是2000年建成的美國綠岸望遠鏡，碟形天線的尺寸達到110米×100米。到目前為止，我國最大的全向可動射電望遠鏡是位于上海佘山的65米天馬射電望遠鏡，它于2012年建成，在我國的嫦娥探月、火星探測和天文學研究中發揮了重要作用。

110米的奇臺射電望遠鏡建成后，將超過綠岸望遠鏡，從而有望成為全球最大的全向可動射電望遠鏡。值得一提的是，在2020年9月，我國“景東120米脈沖星射電望遠鏡研制”啟動儀式在云南省普洱市景東縣舉行，這個研制中的全可動射電望遠鏡口徑達120米，它將和奇臺射電望遠鏡一起，確保未來全球最大的全向可動射電望遠鏡稱號“花落”中國。

美國綠岸射電望遠鏡

上海松江佘山天馬射電望遠鏡

（3）臺址地理位置有獨特優勢

要建造一臺大型望遠鏡，望遠鏡放置的位置同樣至關重要，專業上稱為臺址選擇。射電望遠鏡接收的信號頻率，跟微波爐、手機、收音機等有很多的重合，而這些人類活動產生的信號同樣可以被望遠鏡接收，從而對宇宙中遙遠天體發出的微弱射電信號產生巨大的干擾。

歷史上就發生過這樣的“烏龍”事件。1998年，位于澳大利亞的64米帕克斯射電望遠鏡，接收到了無法解釋的神秘信號，不定期地出現在觀測數據中，由于遲遲找不到信號源頭，天文學家甚至一度猜測這是外星智慧生命發出的。直到17年后的2015年，望遠鏡更新了后端的信號接收裝置，發現神秘信號的頻率跟觀測站廚房的微波爐發出的頻率一樣，都是2.4吉赫茲，才揭開了這個困擾天文學家多年的謎題——信號并非來自宇宙深處的神秘物體，而是當有工作人員打開微波爐加熱食物時，望遠鏡恰巧指向微波爐的方向而接收到的。所以遠離人類活動并且盡可能屏蔽人為射電信號的地方，是安放射電望遠鏡的理想之處。

臺址選擇要考慮的因素不止這些，大氣中水汽的含量也是影響射電天文觀測的重要指標。大氣中的水汽不僅會引起射電天文信號的衰減，還會對望遠鏡靈敏度、指向誤差及天線增益等關鍵指標造成影響。因此，望遠鏡的臺址初步選定后，還需要對大氣水汽含量進行長期監測研究。除了水汽含量，望遠鏡口徑越大，微小抖動就會被放大得越多。在望遠鏡長時間跟蹤觀測某一方向目標時，外界環境中風和氣流等的影響，會使望遠鏡得到的數據變得“模糊”。此外，考慮到可觀測天空的覆蓋范圍和觀測時間段，新臺址所在地的經緯度也要結合國際上已有的射電望遠鏡位置，進行綜合考量。

大家熟悉的“天眼之父”南仁東先生，在“中國天眼”開工建設之前，就利用衛星遙感數據和親自翻山越嶺實地考察，走遍了西南地區以喀斯特地貌作為天然屏障的數百個坑地，并在專業設備長期監測數據的支持下，歷時12年，最終找到了貴州省平塘縣克度鎮大窩凼這個地方，作為中國天眼最理想的安身之所。奇臺射電望遠鏡的選址同樣如此，據新疆天文臺王娜臺長介紹，研究人員歷時多年，沿著天山選取了大概48個點位進行綜合比對，最終在距離烏魯木齊260公里的奇臺縣半截溝鎮石河子村找到了理想的臺址。這里遠離人口密集區，地處山間盆地，射電信號干擾小，監測的水汽、風速等環境條件也滿足望遠鏡長期運行要求。從地圖上看，奇臺位于我國西部、歐亞大陸腹地，向西可以和歐洲的望遠鏡聯網、向東可以連接東亞的望遠鏡，地理位置同樣具有獨特優勢。

對于目前建設中的奇臺射電望遠鏡和研制中的景東射電望遠鏡，我們希望未來它們建成后，能夠和“中國天眼”一起，發揮各自的性能特點和設備優勢，為前沿科學研究和技術應用帶來新的突破。

圖片除注明外來自視覺中國

標簽： 射電望遠鏡 有望成為 全球最大