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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?

果壳科学人
2017-02-17
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编者按:

500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,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。

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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。

对任意一小段这样的信号进行傅里叶变换,我们能够看出,这样一束杂乱的信号波形是由哪些不同频率的正弦信号叠加而成的,也就是说,我们可以得到这束电磁波的能量在不同频率上的分布,也就是说,我们可以测得这个天体在某个波段上的光谱。

Arecibo望远镜观测到的一条氢的21cm谱线,来自ALFALFA巡天的一个星系。

这个谱线的横轴是速度,因为我们习惯于根据多普勒频移的原理把频率换算成速度单位,这样可以更直观的读出不同相对速度上的各个成分的信息。

但是如果采用菲涅尔反射镜,就像某些太阳能发电站做的那样:

图片来源:The Mechanical Vivarium of Dr. Iguana

我们可以看到,一束平行光经过一系列以不同角度摆放的反射镜组成的菲涅尔反射镜阵列的反射,也是可以聚焦到一个焦点上的。但是很明显,每一束光线走过的光程是不同的,这样如果以波前的观点来考虑,同一个波前经过这组反射镜的反射,是无法同时到达焦点的。

这样如果作为射电望远镜,我们每时每刻都能测到前后一段时间的信号混杂起来的总电场强度,这样再进行时域上的傅里叶变换的话,当然就没有那么准确了——相当于给真实的信号在时间上做了一个平滑,这样肯定会损失高频信息,而增加假的低频信息,测出来的谱线也就不对了。

一般反射面板的精度要控制在想要观测的波长的十分之一甚至二十分之一,而采用菲涅尔反射镜阵列这样的光路设计,一下差出去波长的几千倍,实际上不仅仅是有点不对的问题,估计高频信息直接被全部抹平,我们只能测到一片无意义的白噪声了。

在FAST之前最大的单口径射电望远镜Arecibo是球面镜设计,我在《射电望远镜 FAST 为什么是球面的而不是抛物面?》这个知乎问题的答案里提到过,为了改正球面相比于抛物面带来的额外的光程差,Arecibo采用了一个非常复杂、非常笨重的格里高利式馈源舱,可以把信号波前修正:

图片来源:Kildal, P. 1989, Radio Science, 24, 601

但是,Arecibo加这么个东西能把光程差改回来,是因为球面本身和抛物面底部已经非常近似,需要补偿的光程可能也就不到一米,这样是可以在馈源舱的位置放一个改正镜做修正的。如果采用菲涅尔反射镜阵列设计,光程一下差了几百米,那根本不可能在空中再吊一个东西去改正了。

其实就这一条就已经可以把这个方案毙了。不过还有一些相对来说无关紧要的原因。

就是,哪怕没有光程差这回事,你要想让地面上几百米范围内的反射面阵列的光全都能汇聚到同一个焦点,为了地面上反射镜之间尽量不要相互遮挡,你还是需要:

在反射面之间留一定的间距;

把馈源吊的比较高,让反射面摆放的角度不需要太倾斜。

这两点可以参考一些采用菲涅尔反射面阵列设计的太阳能发电厂:

图片来源:AREVA Solar

图片来源:Sandia National Laboratories

要留间距呢,就需要占用更大的地方;而一般平原的人口更稠密、土地价格比山区更贵,占比500米直径还大的一块地方,还在周围建立一个巨大的电磁波宁静保护区,这成本不知高到哪里去了。何况复杂山地地形本身就能对射电干扰有一定的屏蔽效果,弃之不用可惜了。

以及对FAST来说,原始设计是依山而建,悬吊馈源舱的高塔是站在喀斯特盆地的山沿之上:

图片来源:[1105.3794] The Five-Hundred-Meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST) Project,Nan et al. 2011)

即使是这样,这几座馈源支撑塔仍然需要非常巨大:6塔高度均超过100米,其中最高的塔超过173米,自重达670吨。——《FAST馈源支撑塔基础工程通过验收》

如果把反射面板平铺,铁塔从平地竖起,那就需要建造的更高更大,耗费更多钢材、增加更多基建成本,同时稳定性一定会有所下降。

这就好像建设世界最高的北盘江大桥,你一定不想从谷底开始建桥墩。

所以即使物理上没有需要等光程这回事(那是不可能的),要建这么大的射电望远镜,平原也没有喀斯特盆地划算。

编辑:Sol_阳阳

排版:Sol_阳阳

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本文转载自公众号“青年天文教师连线”

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