天茗商城

 找回密码
 立即注册
展开

小喇叭     

全站
天茗站长 说: 欢迎各位互联网商家免费入驻本站论坛发布产品推广,所有发布请按照论坛相关分类来发布,不懂的地方,可以咨询在线客服成员!
29天前
查看: 3013|回复: 1

[望远镜] 世界最大射电望眼镜的工程设计

[复制链接]
我的人缘0

2

主题

2

帖子

10

积分

新手上路

Rank: 1

积分
10
发表于 2018-4-15 10:31:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
小弟表业
kww63H3p3WWWDDHo.jpg


━━━━
射电天文学的未来发现机器——
“平方公里阵列”望远镜
正在有序筹备中。
即使在初冬时节,西澳大利亚州的默奇森郡也是烈日当空。这片土地道路崎岖,遍布着低矮灌木丛,常有袋鼠出没的痕迹,来到这里的游客很容易迷路。尽管如此,我还是来到这个距离海岸几百公里远的地方,戴着太阳帽站在这片铁锈色的红土之上。我此行的目的是,参观有史以来最雄心勃勃的望远镜之一的未来选址地。
YIDd99M6hGSRHVYG.jpg


在这个比荷兰国土面积还要大的地区内,只有100多名居民。这片澳大利亚的内陆地区,在已被无线电信号淹没的世界中显得十分珍贵:它是一片世外桃源,也是一扇通向宇宙的明窗。回到凉爽的车内,我的一位向导——安东尼•斯金科(Antony Schinckel)——向我强调了这个选址的优越性。他说:“我们真是找到了世界上最棒的地方之一。”
斯金科是澳大利亚联邦科学与研究组织的望远镜主管。他和同事们已在严峻条件的考验下,将这片辽阔地带的一小部分打造成了世界上最领先的射电天文学设施之一。这里的大雨会在路上留下一道道深沟,车辆几乎无法通行。斯金科回忆说,有一天,自己在路上遇到一个接一个的金合欢树树桩,结果一天下来,4个车胎全瘪了。
而艰苦的工作现在开始有了回报。在过去的8年间,天文学家和工程师们把这片曾用来放牧的土地,变成了一座天文花园——默奇森射电天文台(MRO)。数十个闪闪发光的12米宽的白色碟形天线点缀着这里的景致,它们是为星系编目工作而量身打造的。与之相伴的还有数以千计形似蜘蛛的天线,它们形成了最先进的天线阵列,能够捕捉到几乎可以追溯到宇宙开端之时的电磁波。
人们利用这些不同类型的天线在默奇森射电天文台建造双筒望远镜,拓展射电天文学的研究能力。这些望远镜则是另一个目标更加宏伟的项目的前奏,这就是“平方公里阵列”(SKA)。目前SKA的在建时间已超过25年,建成后将会是一台非常灵敏的射电望远镜,因为它的接收范围相当于1平方公里多(你也可能猜到了)的面积。项目预计在21世纪30年代初完成,将囊括非洲的2000多个碟形天线,以及澳大利亚西部的约50万个天线,届时默奇森射电天文台现有的望远镜和其他设备就将相形见绌了。在这个过程中,10个成员国共500多名工程师将参与合作,SKA不仅将测试望远镜的设计极限,还将测试数据处理管线、国际间协作和大科学项目的基础设施的极限。
SKA总干事菲利浦•戴蒙德(PhilipDiamond)表示:“我们的在建规模还从来没有人尝试过。”而他和其他许多天文学家都认为这些努力是值得的。SKA的灵敏度、分辨率和快速扫描大片天空的能力将使它能够探索人们迫切想要了解的一些宇宙奥秘。例如,人们期待SKA可以利用氢辐射对巨量的星系进行编目,从而帮助确定不断加速宇宙扩张的暗能量的身份。望远镜还将能够测量空前数量的脉冲星,脉冲星是一种旋转的恒星残留物,会沿着它们的磁极发出电磁辐射。当这些宇宙信标进入黑洞密集的近轨时,它们就可被用于寻找新的物理学证据,最终或许可以让物理学家发展出能统一量子力学和引力场的理论。
鉴于规模惊人,SKA目前正在分阶段进行,从规模较小的SKA1开始建设。戴蒙德说,虽然只是SKA的一小部分,但SKA1仍然是世界上最大的射电望远镜。其中一部分将建在南非,另一部分将建在西澳大利亚州,这两地将作为两个独立的望远镜进行运作,就像整个SKA一样。SKA1在南非的部分(称为SKA1-mid)将包括197个直径为13.5米和15米的碟形射电天线。这些碟形天线的数据经过整合,将用于一系列研究对象,包括脉冲星和较接近银河系的氢发出的无线电辐射。
被称为SKA1-low的澳大利亚部分旨在捕捉低频无线电波,包括数十亿年前恒星等天体首次照亮宇宙时发出的无线电波。为了接收这些电波,望远镜不会使用碟形天线,而是用许多简易的固定天线。这些固定天线在较广的频段内拾取信号,包括在电视和调频频段中恰好与某些最古老的宇宙射线频率相吻合的频段。要将这些天线一起联结成一个强大的望远镜,将需要最先进的信号放大和信号处理手段(稍后详述)。
在默奇森射电天文台,天文学家已在努力测试SKA天线原型。我6月份来参观时一片天线尚未搭建完成,但已显得满满当当。数十个形似小冷杉树、约2米高的细高建筑挤在一起,形成了一片凌乱的钢铁丛林之中。
r9rwW4m4M1Xn2EAN.jpg


到2024年,SKA团队预计将安装超过13.1万个这样的树状天线,它们分组沿着3个螺旋臂向沙漠中延伸数十公里。届时形成的阵列并不会比测试阶段更上镜,但如果一切顺利,它会得到真正令人瞠目的结果:宇宙的第一张详细图像,显示着宇宙从黑暗的中性氢原子海洋变成我们今天认识的样子——一片点缀着闪亮星星和星系的黑色海洋。
━━━━
射电天文学的标志就是它的碟形天线。例如新墨西哥州的“甚大天线阵列”,其直径25米的碟形天线有序地呈线性排列,它曾出现于多部影视片段中,最引人注目的是1997年的电影《超时空接触》。
“甚大天线阵列”的碟形天线运作时更像一台光学望远镜,它将入射的无线电波聚焦到接收器上。但无线电频带很宽,在某一频带上运行良好的望远镜设计在另一个频带上不一定是最好的选择。基础物理学表明,要获取的波长越长,就需要越大的碟形天线来保持相同的分辨率。普遍认可的结果是,在超过一定波长后,人们会选择使用能直接接收无线电波的天线。
用这种天线进行射电天文学研究并不新鲜。在20世纪30年代早期,这项技术让卡尔•央斯基(KarlJansky)首次对来自太阳系之外的无线电波进行了探测。脉冲星就是在1967年偶然被发现的,当时人们在英国剑桥附近使用了一个偶极天线阵列,检测到了脉冲星那如时钟般准确的信号。
但天文学家兰德尔•韦斯(RandallWayth)说,不知从何时开始,较长的波长(固定天线阵列的理想波长类型)在射电天文学中不那么流行了。最近由于天文学家们希望进一步了解宇宙的过去,人们对无线电这一部分波段的兴趣再次被激发了起来。而且他们现在可以很便捷地利用数字电子、信号处理和计算机技术等一系列进步来创建新一代阵列。
韦斯是澳大利亚珀斯科廷大学的副教授和西澳大利亚国际射电天文学研究中心的高级研究员,他说:“这无疑是一次复兴。”这种通用的方法与相控阵雷达系统以及为5G蜂窝网络开发的天线阵列仅是曾有几分相似,它并不止于此。
韦斯执掌着这次复兴中最前沿的望远镜之一:默奇森宽场阵列(MWA)。作为SKA的官方“先驱”望远镜之一,MWA正致力于解决如何将众多无源天线结合到这台最前沿的望远镜上。
同SKA1-low一样,MWA的天线被设计用于在低频端捕捉射电天文学所用的无线电波。SKA1-low的设计要求天线在50~350兆赫之间较为灵敏。MWA天线的探测信号范围相对较窄,在80~300 兆赫之间。与SKA1-low的冷杉树式的天线相比,MWA的天线看上去就让人想起正在晒着日光浴的高膝蜘蛛。它们建在金属网格上,金属网格用来反射传入的无线电波。
pa26BFrrYybby16F.jpg


虽然这两种天线的外观不同,但MWA和SKA1-low共享着同样的基础方法和远大的科学抱负:凝望着早期宇宙中一个被称为“再电离纪元”的混沌时期。这个名字是指大约130亿年前,在宇宙大爆炸后约10亿年时,早期的恒星和其他物体把中性氢原子加热到足以失去其电子的温度,将宇宙从不透明的中性氢原子海洋变成了现在我们看起来是透明的宇宙。值得注意的是,现在还有可能检测到那些中性氢原子发出的无线电波。电波发出的波长是21厘米,但在到达地球的时候,数十亿年的宇宙膨胀会把它们的波长拉长到几米。
MWA正在争取成为第一台能检测到远古历史中这些被拉长的回波的望远镜。天文学家希望对这种辐射的研究有助于揭示再电离是如何改变和塑造早期宇宙的,例如,星系这样的结构在这个关键纪元时期是如何形成和变化的。“这是宇宙进化过程中的一个重要阶段,人们却一无所知。”德国加斯廷麦克斯普朗克天体物理研究所的天文学家贝尼德塔•斯亚迪(Benedetta Ciardi)如是说,他还是位于荷兰的“低频阵列”望远镜(LOFAR,MWA的竞争对手之一)的工作人员。
━━━━
为了寻找来自这个纪元的信号,实际上也就是进行任意观测,MWA同时从各个方向接收无线电波。入射信号会通过每个蜘蛛天线中心的一对低噪声放大器进行放大,然后被传送到附近的“波束形成器”中。在那里,各种长度的波导被印制到电路板上,将延迟传递给天线信号。在正确选择延迟的情况下,波束形成器实际上会使阵列“倾斜”,使得来自天空特定区域的无线电波似乎是在同时到达天线——就像它们被同一个巨大天线接收时那样。SKA1-low将整个过程数字化,没有波导。这种方法能使其形成多个波束,就好像该阵列同时指向了天空中的多个点。
MWA的天线被分成组,来自每个组的信号被发送到一个独立的接收器,接收器在不同频率信道中对信号进行分类,然后通过光纤将其发送到天文台的中央大楼。在那里,一组现场可编程门阵列和图形处理单元将数据相关联,把来自每个接收器的信号与其他接收器的信号相乘并随时间积分。这个数字运算是干涉测量的核心,这一运算过程将来自多个碟形天线或普通天线的信号结合到一起创建一个强信号,就好像它们来自一台望远镜。
和单一的碟形天线非常相像,这种虚拟望远镜的物理尺寸越大,分辨率越好。尤其是对由一组碟形天线或固定天线组成的虚拟望远镜来说,望远镜的最大分辨率由其最长基线或一对元件之间的间距来决定。这个间距越长,分辨率就越高。
R32g7iB5edQdII2f.jpg


天文学家利用这个特性构建了跨越大陆的虚拟望远镜,这样可让分辨率精确到能对准银河系中心超大质量黑洞周围的区域。但大小并非唯一的考量。一对天线,无论相隔多远,对于天体所发出的光线,都只能给出一部分信息。要创建图像,天文学家必须充实天线阵列。更多的固定天线或碟形天线会使不同基线的组合数量猛增,然后可以通过“孔径综合”过程来创建望远镜般的图像。因此这种阵列的成像能力取决于几个因素,包括天线的总数、阵列的跨度以及天线间相对位置的放置细节等。
在MWA中,天文台服务器的输出信号通过光纤被传送到数百公里以外,首先到达沿海城市杰拉尔顿,然后再经过400公里到达珀斯的一个超级计算中心。
MWA每天可以向珀斯的设施发送超过25 太字节的数据。但是在未来几年,这个数据速率将会被SKA1-low的输出大大超越。英国曼彻斯特大学的天文学家基思•格兰奇(Keith Grainge)表示,该阵列的13.1万条天线每秒合计产生的数据将高于1太字节。格兰奇领导的SKA工作组致力于信号和数据传输,他说:“我们要传输的数据量相当于整个互联网的1/8。”
数据到达珀斯后须经进一步处理,转换成天文地图和其他能为天文学家所用的科学产品。西澳大利亚大学教授安德里亚斯•维森尼克(Andreas Wicene)正在研究项目的计算需求,他表示,这是一个百万兆级的计算问题。维森尼克估计,SKA1-low需要的超级计算机至少要和现在的世界纪录保持者——中国的“神威•太湖之光”一样快。唯一要解决的问题就是,这台超级计算机必须比“神威•太湖之光”便宜得多,耗电量为其1/5左右,而“神威•湖之光”进行计算时的功率可达15兆瓦。
维森尼克并不担心。他说:“即使我们得不到这样一台机器,我们依然能进行惊人的科学研究,只是研究项目并不像最初那样有挑战性而已。这是射电天文学的优势。”他还说:“你可以轻松地扩大和缩小范围,只做现在能够承受的。几年之后我们可以再加强。”
━━━━
SKA的成功将部分取决于确保默奇森的射电窗口尽可能清晰。蜂窝信号、电动机、电视发射器、电弧焊接以及许多其他射频源都可能会干扰天文观测。
该场地本身尽可能保持自己不受外界噪声影响。“无线电静默区”从默奇森射电天文台周围开始向外延伸260公里左右。要在该区域操作发射器的矿业公司和其他组织,如果想要拿到新的许可证,都必须先咨询澳大利亚联邦科学与研究组织。IEEE高级会员、默奇森射电天文台的频谱经理卡罗尔•威尔逊(Carol Wilson)说:“我们的目标是在70 兆赫到25.25 千兆赫频段间保护此场地不受干扰。”她说,最近一个使用“澳大利亚平方公里阵列探路者射电望远镜”(ASKAP,位于MWA不远处)的研究小组,观测到大约50亿年前的一个星系发出的信号出现略微下降,进而发现了一个气体云。这个下降信号处于完全能被手机频段覆盖的频率范围内。威尔逊说:“在人口较多的地区我们是不可能做到这一点的。”
默奇森射电天文台的设计人员竭尽全力让望远镜和配套设备本身不再增加任何问题。天文台的中央建筑(包括一个单层结构的室内车间、办公桌、处理器机架和用于将时钟信号传送到望远镜的微波激射器)都被完全包裹在连成一片的钢板中。这个法拉第笼设置了狭长的开口,光纤、电线和空气可以通过,一定波段内的无线电波则无法穿越。主开口是一个双层门的结构,就像无线电波的气闸一样,若有人想要进入,则必须先关上第一扇门,然后再打开另一扇门。
fDawShcqoVIwHC4i.jpg


这种预防措施有助于保持现场极其安静。MWA就是利用这种静默来寻找“再电离纪元”的最初迹象的,这将显示中性氢原子分散在空间过程中的细微变化。当SKA1-low建成后,它将能够更详细地映射这种转变,让天文学家们窥探到古代群星和星系如何带领宇宙走出黑暗时代,并塑造成我们今天看到的宇宙。
━━━━
工人们将在2019年开工建造SKA1-low,并持续5年的时间,但在此之前,仍有一些重要的挑战需要克服。一个工程师团队正在使用模拟和测量相结合的方式验证天线设计,为明年的一次关键审查做准备。MWA主管韦斯指出,天线可能会互相干扰,有时甚至会抵消信号而产生盲点。“现在我们正在确保完全了解能够运行台站的电磁场波,只求不会有意外发生。”韦斯如是说,他也是澳大利亚SKA阵列设计团队的成员之一。
但韦斯说目前大部分的技术难题已经解决。此时最大的问题是后勤保障和基础设施,他说:“它建在茫茫荒野之中,需要有电力、通信和计时手段,还要有其他所需的一切。”
在南非,一些碟形天线可以利用当地电网的电力,但在澳大利亚,所有的电力能源都必须在现场产生。这两个观测站都希望将碳排放量降到最低。今年之前,默奇森射电天文台使用的是柴油发电机,而现在它有了1.6兆瓦的太阳能电池板和大量的锂离子电池,可以储存2.6兆瓦时的电能,这超过SKA1-low全功率运转时所需能量的一半。一些分布在更遥远位置的天线阵列,可能会有自己的太阳能电池板。
UvATmHTH11933aG1.jpg


维护是另一项挑战。现在MWA基本上每年都会遭到一次雷击,可能会损坏几套天线和一个接收器。而MWA的天线间隔都在几公里。SKA1-low天线数量巨大,而且有2米高,从中心延伸几十公里的距离,这些都可能会成为阵列维护人员的负担。
还有资金的问题。目前在南非和澳大利亚建设SKA1的预算约为6.75亿欧元(约合8亿美元, 10亿澳元),由项目的10个成员国(澳大利亚、加拿大、中国、印度、意大利、荷兰、新西兰、南非、瑞典和英国)共同出资。但是这笔资金并未像天文学家们希望的那样成为SKA1的全部费用。总干事戴蒙德说:“虽然我们想在SKA第一阶段,让投入的1亿美元能有效发挥作用,但实际上在投入未达到10亿美元前,还是什么事情都做不了。”他正在试图招募更多的国家加入合作,以期获取更多资金支持。
韦斯说,如果一切顺利的话,SKA1-low能在望远镜灵敏度和其他能力方面为天文学家们带来至少10倍的提高。“这将是一台引起轰动的望远镜,”他说,“我的老上司以前说过,射电天文学家一般不会为了不到1个数量级的事情起床。而在SKA项目,起床要做的事就太多了。”
作者:Rachel Courtland
>>>本文为原创,转载请回复。
我的人缘0

0

主题

24

帖子

48

积分

新手上路

Rank: 1

积分
48
发表于 6 小时前 天茗商城 | 显示全部楼层
小弟表业
运气就是机会碰巧撞到了你的努力。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

QQ|关于我们|友情链接|手机版|小黑屋|天茗商城  |广告自助中心

GMT+8, 2018-4-27 06:55 , Processed in 0.282399 second(s), 89 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表