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为何FAST选址在大窝凼建造?这背后有着怎样的科学原理?

编者按:

500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope,简称FAST)是国家科教领导小组审议确定的国家九大科技基础设施之一,也是目前世界上最大的单面口径球面射电望远镜。而这台大望远镜目前就“藏身”于贵州省平塘县克度镇大窝凼群山环绕的天然喀斯特洼坑里。

为何FAST选址在大窝凼建造?

像FAST这样的主动反射面系统为什么还要修建在坑里?

能否使用类似于菲涅尔透镜的原理,把球面镜压缩到平面上呢?

针对这些问题,中国科学院国家天文台博士刘博洋给出了详细解答。

首先在阅读前,我们要了解以下几个知识点:

1

菲涅耳透镜

菲涅耳透镜(英语:Fresnel lens),又译菲涅尔透镜,别称螺纹透镜,是由法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳所发明的一种透镜。此设计原来被应用于灯塔,这个设计可以建造更大孔径的透镜,其特点是焦距短,且比一般的透镜的材料用量更少、重量与体积更小。和早期的透镜相比,菲涅耳透镜更薄,因此可以传递更多的光,使得灯塔即使距离相当远仍可看见。

透镜原理图。图片来源: wikipedia

2

光程

光程(英语:Optical path length)是指在均匀介质中,光行径的几何路径的长度 s 与光在该介质中的折射率 n 的乘积,用 Δ 表示,即: Δ = n s 两条光线光程的差值叫做光程差。光程的重要性在于确定光的相位,相位决定光的干涉和衍射行为。

一般说来我们看到的抛物面反射镜是这样的:

图片来源:An Introduction to Radio Astronomy, Burke Graham-Smith 2002

上图中,左边(a)图是以光线的观点来看光路图——抛物面的作用是把光线汇聚到一个焦点上。

右边(b)图是以波前的观点来看光路图——抛物面的作用是把一个个平行的波前变形成一个个同心圆,让平行波前中的任何一个,都能同时到达焦点,也就是让同时发出的信号,能同时到达馈源。

为什么一定要这样呢?

因为射电天文观测本质上是在以极高的频率测量和记录一束来自天体的电磁波的电场强度信息。最直接记录下来的信号比如像下图所示:

图片来源:Low Frequency Radio Astronomy, Nityananda 1999)

横轴是时间,纵轴是记录下的电磁波的电场强度随时间的变化。

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