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为嫦娥四号在月球背面软着陆做出了贡献,天马望远镜获上海市科技进步特等奖
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来源:上观新闻 作者:黄海华 2019-05-15 09:48
摘要:天马望远镜成为解决中继星“鹊桥”天线在轨标定技术难题的唯一地面测站

还记得那张像甜甜圈的黑洞照片吗?上海65米射电望远镜虽然没有参加直接观测,但其主导的东亚VLBI网,在其他频率开展了长期跟踪协同观测,这一观测结果被写入了首张黑洞照片的相关论文。上海65米射电望远镜的综合性能指标,目前在同类型望远镜中位列世界前三,为我国的探月工程和深空探测提供了有力支撑。在今天(5月15日)举行的上海市科技奖励大会上,该项目荣获2018年度上海市科技进步特等奖。

 

自主创新攻克了40多项关键技术

 

地处佘山脚下的上海65米射电望远镜,还有一个更诗意的名字——天马望远镜。

 

1932年,来自银河系中心的射电辐射被首次发现,从而打开了人类观测宇宙的新窗口。迄今为止,12项授予天文学的诺贝尔物理奖中就有6项来自射电天文学的贡献。2006年时,我国先后建设了口径为25米至50米等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,这些射电望远镜口径小、观测频率低,严重制约了未来执行国家深空探测任务和开展射电天文观测的研究能力。

美国贝尔实验室工程师央斯基的“旋转木马”天线,首次捕捉到了来自银河系中心的射电辐射

 

带着众多的期待,天马望远镜创造了“中国速度”,把大型望远镜的现场建设周期由通常的6年缩短至3年,于2012年10月28日落成,其工作波长从最长21厘米到最短7毫米共8个波段,是我国第一台性能先进、功能齐全、全方位可转动的大型射电望远镜系统。

中科院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,自主创新攻克了40多项关键技术。他们研发了国内首套大型射电望远镜主反射面主动调整系统,故障率仅为0.3%,相对于国际同类系统可靠性首屈一指。“最初设定的目标是,测量精度误差要小于0.3毫米,实际控制在了0.28毫米。”天马望远镜首席科学家、上海天文台台长沈志强说,天马望远镜所有技术指标均满足或优于任务书中技术指标要求,实现了建设世界级大型射电望远镜的目标。随着观测目标的东升西落,天线姿态会发生变化,在不同高度重力作用下,就会发生变形。令人叫绝的是,1104个促动器实现了对1008块主反射面板重力形变的实时调整补偿,定位精度达到15微米,只有头发丝的一半,使天线保持标准的抛物面形状,确保了天马望远镜即使在其最高工作频率(Q波段;43 GHz)的观测效率在各个仰角都达到50%以上,达到国际先进水平。

 

天马望远镜综合发展了5项创新性技术,实现了3角秒高精度指向(3角秒即1200分之一度),达到国际领先水平。研发人员在国内首次采用了无缝轨道焊接技术,焊接后轨道整体平面度达到0.46毫米,不仅提高了轨道精度和承载力,而且延长了轨道、滚轮以及地基的使用寿命。

 

为实现月球背面软着陆探测,做出不可替代贡献

 

“执行嫦娥一号任务时,我国的VLBI测轨分系统处理数据需要10分钟,去年执行嫦娥四号任务时不仅每5秒钟打包数据一次,还能在30秒之内完成数据处理。”嫦娥四号VLBI测轨分系统总指挥、上海天文台原台长洪晓瑜介绍,天马望远镜成为解决中继星“鹊桥”天线在轨标定技术难题的唯一地面测站,为世界上首次实现月球背面软着陆探测,做出了不可替代的贡献。

 

天马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(包括中继星)VLBI测定轨任务。未来,还将成为后续嫦娥系列、火星探测器等测定轨任务的核心设备。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,加入东亚VLBI网后,使其成图质量提高53%,在黑洞等致密天体研究中发挥了关键作用。自2015年成为欧洲VLBI网成员后,由于其超高灵敏度,天马望远镜多次被选为基准参考测站。

 

至今,天马望远镜在脉冲星和谱线射电天文研究中已取得一系列原创性成果。早在运行初期,天马望远镜就成功捕捉到了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,这为磁星的研究提供了重要观测结果;乙醇醛和乙二醇,都是非常重要的复杂有机分子,与地球上的生命起源息息相关,之前仅在少数几个原恒星、热核以及彗星中被探测到。天马望远镜对银河系中心巨分子云人马座B2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,尺度达100光年,其中乙醇醛分子的总质量约是地球质量的1万倍,这为银河系中心存在丰富的复杂有机分子提供了直接证据;碳是宇宙中含量最丰富的元素之一,在星际冷暗云核中,碳主要以碳链分子的形式存在,是研究恒星形成的重要化学探针。天马望远镜在巨蛇座分子云复合体中的一个云核,探测到了丰富的长碳链分子,其中9条跃迁线是第一次被探测到,有2条精细结构线则是首次被分解开。

 

年轻人迅速成长,独当一面

 

“由于人数限制,只有30个人位列获奖名单,但其实仅上海天文台先后就有80多人参与其中。”沈志强说。天马望远镜是一个全新的挑战,很多东西都是边学边做,许多人每天从市区赶到佘山,也不叫累。

天马望远镜首席科学家、上海天文台台长沈志强

 

在这个过程中,年轻人迅速成长,独当一面。为精确测量天马望远镜主反射面的重力形变,技术人员在国内首次综合利用了相位参考全息测量技术,正高级工程师王锦清参与天马望远镜的建设时正值30岁,“之前只能查看国外的资料才了解相关技术,现在我们掌握了一套较为成熟的大型射电望远镜测量和调试方法,虽然投入了大量精力,反复思考和试验,但每解决一个问题都有很大的满足感,也就不怎么觉得累。”去年11月,大型国际项目平方公里阵列射电望远镜(简称SKA)的工作人员,前来中国测量SKA的样机天线,由于他们携带的测量设备不稳定,后来找到了王锦清,他带着给天马望远镜开发的测量设备顺利完成了任务。SKA总干事为此写信感谢,并希望王锦清未来能继续参与SKA的工作。

 

天马望远镜是一个科学工程,科学目标和工程指标有时会发生冲突,最让上海天文台科研人员感动的是,他们总是希望能够做得再好一些,未来能有更多的科学发现,而建设方也认同接受了这一理念。在与中国电科54所、上海交通大学等单位合作的过程中,大家心往一处想,共同攻坚克难。

 

天马望远镜如今成为国之重器,这与立项之初的眼光和勇气分不开。“这个项目作为中科院和上海市合作项目,市科委和市发改委都给予了大力支持,解决了许多难题,比如土地置换等,还纳入到上海市重大项目中。”洪晓瑜说,天马望远镜能够建在上海,也是一种幸运。

栏目主编:黄海华 文字编辑:黄海华 图片编辑:笪曦
本文图片和视频由赖鑫琳拍摄
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