亚洲第一的上海65米射电望远镜建成
2014-12-10 13:25:05   来源:化石网   评论:0 点击:

洪晓瑜(右)向白春礼汇报65米望远镜建设情况。中国科学院上海分院院长江绵恒(第二排中)视察探月工程VLBI指挥中心。由中国科学院院士、中国工程院院士投票评出,亚洲第一的上海65米射电望远镜建成等入选2012年

 

洪晓瑜(右)向白春礼汇报65米望远镜建设情况。

 

 

中国科学院上海分院院长江绵恒(第二排中)视察探月工程VLBI指挥中心。

 

 

由中国科学院院士、中国工程院院士投票评出,“亚洲第一的上海65米射电望远镜建成”等入选“2012年中国十大科技进展”。

 

    位于上海天马山北侧的65米射电天文望远镜,与佘山东侧的25米射电天文望远镜遥相呼应,凝望深空,探寻未来。秀美的上海佘山,或因中国科学院上海天文台的创新发展而华丽转身,成为我国天文研究、深空探测的基地,成为上海的城市地标建筑,成为享誉中国和世界的名片。

 

高水平建设65米射电天文望远镜

 

为嫦娥探月工程作贡献

 

    这座于2012年10月28日落成的射电望远镜,直径65米、高70米、重约2700吨,“它能够观测100多亿光年以外的天体”。其总体性能名列同类型望远镜全球第四、亚洲第一。据中科院上海天文台台长、项目总经理洪晓瑜介绍,不同于光学望远镜直接通过成像就可以看天体,射电望远镜是接收天体的无线电波,通过分析无线电波频谱、强度和偏振来进行研究。射电望远镜的优点是可以全天候来观测天体,此外多台射电望远镜组成的甚长基线干涉测量(VLBI)可以获得很高的观测分辨率。

 

    洪晓瑜表示,上海65米射电望远镜将在天体物理、射电天文、地球动力学和空间科学等多种学科中成为我国乃至世界上一台主干观测设备,同时也将在我国的嫦娥探月工程、火星探测及其他深空探测工程的应用中作出重大贡献。为进一步提升我国基础研究的实力奠定科学研究基础,为更好地满足国家的战略需求作好储备。

 

总体性能列亚洲第一

 

    上海65米射电天文望远镜如同一只灵敏的耳朵,能仔细辨别来自宇宙的射电信号。它目前设置了从21厘米到7毫米的8个接收波段,涵盖了开展射电天文观测的厘米波波段和长毫米波波段,是中国目前已建成口径最大、全方位可动的高性能射电望远镜,总体性能在同类型射电望远镜中仅次于美国的110米射电望远镜、德国的100米射电望远镜和意大利的64米射电望远镜。

 

    据上海天文台副台长、65米射电望远镜首席科学家沈志强介绍,该望远镜采用的修正型卡塞格伦天线能在方位和俯仰两个方向转动,下方轨道上有6组共12个轮子驱动天线的方位转动,上方的俯仰大齿轮控制天线的俯仰运动,这使得望远镜可以以高精度指向需要观测的天体和航天器,其最高指向精度优于3角秒。

 

    望远镜的主反射面面积为3780平方米,主反射面面积相当于8个篮球场,由14圈共1008块高精度实面板拼装成。由于它的抛物面随着不同的仰角高度形变是不一样的,所以在不同的高度都要对它进行调整。每块面板单元精度要保证达到0.1毫米,部分面板达到0.08毫米,代表了国内大尺度高精度面板设计与制造技术的最高水平。整个抛物面平整光滑度误差不到0.3毫米,使得这台望远镜的探测范围和精度大大提高。

 

    主反射面的安装则采用了国内首创的主动面技术,在面板与天线背架结构的连接处安装有1104台高精度促动器,用以补偿跟踪观测时重力引起的反射面变形,提高高频观测的天线接收效率。促动器的单位精度可达15微米,即一根头发丝直径的一半左右。

 

    望远镜的轨道还在国内首次采用了全轨道焊接技术,精密加工成的重达6吨的单根轨道平面度达到0.1毫米,使得一条由30段焊接而成的直径为42米的轨道整体平面度达到了0.45毫米,为保证天线轴系精度奠定了基础。

 

院地合作结硕果

 

    上海65米射电望远镜是中国科学院和上海市人民政府于2008年10月底联合立项的重大合作项目,由中国科学院、上海市人民政府和国家探月工程项目联合出资建造,中科院上海天文台负责运行。洪晓瑜表示衷心感谢各方的大力支持,该项目也是上海市科委有史以来支持力度最大的项目。

 

    建成后的上海65米射电望远镜将是一台工作频率广、灵敏度高、指向精确的具有多种科学用途、全方位可动的大型射电望远镜。它将成为执行探月工程二期VLBI测轨和定位不可或缺的关键设备,成为国际VLBI网的主干设备,大大提高中国VLBI网的测量能力。

 

    该望远镜因其大口径和高灵敏度将显著增强我国在深空领域测定轨能力,为嫦娥探月工程、火星探测和更长远的深空探测等国家重大战略需求服务;较全面的厘米波到长毫米波宽频段设置将有利于新的天文谱线的发现、脉冲星观测及国际VLBI联合观测研究。

 

    据专家介绍,这台望远镜将成为我国甚长基线干涉网 (VLBI)的重要成员,并在天体物理、射电天文、天文地球动力学和空间科学等多种学科中作为我国乃至世界上一台主干观测设备,作出一流的科学成果。

 

    专家提出,新建65米天线系统具有主动面调整系统、8个波段的双极化接收机(L、S、C、X、Ku、K、Ka 和 Q波段)、VLBI数据采集终端、氢原子钟和时频比对设备等。

 

    中国科学院院士叶叔华表示,它可在1.8GHz以上频带上成为国际上天体物理研究名列前茅的射电望远镜,与国家大科学工程贵州500米口径的固定式射电望远镜(FAST)的观测波段互相补充,“这符合中国射电天文发展的整体布局”。

 

    “建设大型射电望远镜系统涉及多个技术领域,是一个国家科技实力的体现。”洪晓瑜介绍说,自2009年奠基以来,上海天文台与中国电子科技集团、上海交通大学等多家建设单位紧密合作,始终瞄准国际前沿,坚持自主创新为主,积极借鉴国外先进经验,在关键技术领域攻坚破难,取得一批创新性科研成果。

 

上海65米射电望远镜仅仅用了3年10个月的时间就建成,而国外同类望远镜的建设周期需要8~9年。比如美国的100米射电望远镜,它是1991年开始一直建到2000年8月,用了近10年的时间。与之相当的意大利的64米望远镜用了9年的时间。另外,跟国外的几个望远镜比,其造价要低得多,建设周期要短得多,但相关指标也达到了国际水平。

 

    “上海65米射电望远镜的建成标志着我国大型射电望远镜的研制水平又达到一个新的高度。”中国电子科技集团公司党组书记樊友山认为,它将为我国天文地球动力学和星系宇宙学领域的“国家队”上海天文台取得新的世界瞩目的科研成果奠定基础。

 

观测能力获实验证明

 

    据沈志强介绍,2012年10月26日,上海65米射电望远镜已小试牛刀,以银河系内3个著名天体为射电源目标,成功获取了它们在射电波段上的谱线信号。“望远镜的调试过程是紧张曲折的,而实验结果是振奋人心的。”此次首个试观测的成功,标志着望远镜的机电系统能够正常运转,为下一步开展天文实验和科研工作打下了良好的基础。

 

    据上海天文台党委书记陆晓峰介绍,为了满足上海65米射电望远镜能够及时投入运行,加强了佘山科技园区和65米射电望远镜配套工程建设,包括深空探测VLBI指挥控制与数据处理中心。这些工程即将投入使用,以满足探月工程嫦娥三号卫星VLBI测轨任务。在“十二五”期间,还将建设多幢星载氢钟、时频和光学技术等实验楼, 满足上海天文台进一步承担国家任务的需求。

 

    正因其精准的空间分辨能力,上海65米射电望远镜除了可以观测数十亿光年、数万个银河系尺度之外的天体外,还可为深空航天器测轨、定轨。据悉,该望远镜执行嫦娥二号卫星的扩展任务——为飞至2000多万公里之外的嫦娥二号“导航”,更将在后续的嫦娥工程任务及其他深空探测工程中大显身手。

 

    洪晓瑜介绍说,上海65米射电望远镜已成功参与执行了首个工程任务,对嫦娥二号卫星飞越小行星探测过程中的VLBI精确定轨。这也是目前为止我国执行的距地球最遥远的航天任务。“我们的一个目标就是,为我们国家的嫦娥工程卫星精确定位服务。”在这之前,上海天文台已经组织了包括上海的25米、乌鲁木齐的25米、北京的50米以及昆明的40米射电望远镜组成的中国VLBI网,参与了嫦娥一号和二号的卫星精密定轨,在探月工程中作出了突出的贡献。

 

    2013年,我国将发射嫦娥三号,并释放月球车。届时, 上海65米射电望远镜将加入我国VLBI网,使“超级望远镜”的灵敏度大幅提升。这样一来,嫦娥三号落月探测的定轨精度会大幅提高,为月球车的成功着陆保驾护航。

 

    探月工程总设计师吴伟仁表示,上海天文台作为中国探月工程的主要参加单位之一,在国内VLBI系统已有的基础上集智攻关,大力挖潜,先后实现了嫦娥一号、嫦娥二号任务的高精度测轨,为工程的圆满成功,为进一步提高我国天文观测研究水平,也为解决后续航天工程之必需作出了重要贡献。探月工程总体积极筹措了专项经费,支持上海天文台建成这一具有世界先进水平的大型射电望远镜,相信它必将在嫦娥三号任务等后续探月工程中和未来的深空探测工程中发挥重大作用。

 

坚持两个面向 增强创新活力

 

    “夜以继日观天测地探索宇宙奥秘,五十岁月刻苦钻研奉献聪明才智。面向世界科学前沿深入研究行星科学至星系宇宙学硕果累累,面向国家战略需求大力支撑导航定位到月球深空探测贡献卓越。”洪晓瑜用一段富有诗意的语言,概括了上海天文台在我国天文科学研究领域中的特殊地位,为我国天文学发展和国民经济及国防建设作出的突出贡献。

 

    上海天文台的前身是1872年建立的徐家汇天文台和1900年建立的佘山天文台,两台都由法国传教士建造和管理。在佘山顶上,有当时亚太地区最大的光学望远镜,它观测过两次哈雷彗星回归。1962年,正式成立中国科学院上海天文台。

 

    自实施知识创新工程以来,上海天文台以国家中长期科学和技术发展规划方针和原则为指导,紧密结合天文台实际情况和国际天文学发展趋势,坚持面向世界科学前沿,面向国家战略需求,凝练学科目标,调整组织体制,改革管理机制,统筹人才和资源,加强创新文化建设,实现科技创新能力和创新水平的跨越发展。

 

    近年来,上海天文台领导班子围绕中科院“创新2020”和“一三五”规划,进一步明确了近期和长远的发展目标,使上海天文台具备了在新的台阶上实现创新跨越的基础。

 

    相关领导部门多次高度评价“上海天文台是以基础研究为主,并把基础研究成果充分应用到国家重大战略需求的典范”。

 

面向世界科学前沿 勇攀世界科学高峰

 

    上海天文台在面向世界科学前沿的天文学基础研究方面,积极开展天文地球动力学、星系宇宙学和行星科学研究,同时加强了天文观测研究。上海天文台副台长侯金良表示,经过多年的努力,上海天文台在天体物理方面的研究获得了许多突破性研究成果,特别是在暗物质和暗能量、星系形成和演化、活动星系核、银河系结构、行星科学等研究方面。上海天文台承担了科技部“973”、“863”、国家基金委、中科院和上海市等部委的重大和重要科研任务,在Nature、Science等国际顶级学术刊物上发表了许多重要的科研成果,论文引用率显著增加,显示度不断提高,并获得国家自然科学成果奖二等奖和省部级一等奖等多项奖励。

 

    ——叶叔华院士负责的“中国现代地壳运动和地球动力学研究”取得重要成果。来自各方面的100余名科学家进行跨学科的合作研究,已经在中国大陆地壳运动的监测与研究、精密地球参考系的建立和维持、地球自转变化、青藏高原动力学、我国重力场和海平面变化、自然灾害预报等方面取得了许多国际先进水平的重要成果,为我国可持续发展的环境和灾害等领域提供了有价值的理论和基础资源,并推动了上海天文台主持的“亚太空间地球动力学(APSG)”国际协作计划的建立。

 

    ——景益鹏研究员在宇宙结构形成的数值模拟研究获重要成果,并主持“973”计划“宇宙大尺度结构和星系形成与演化”研究项目。在多学科交叉的基础上,以研究宇宙大尺度结构为主线,研究宇宙大尺度结构形成与演化和银河系结构与演化两大密切相关的关键性科学问题。其研究成果继2004年获上海市科技进步奖一等奖后,2005年获国家自然科学奖二等奖。积极开展国际合作,以及同我国的高校合作,在该学科的影响力已经得到国际的高度认可。

 

    ——沈志强研究员领导的一个国际天文研究小组发现银河系中心存在超大质量黑洞最令人信服的证据。通过对位于银河系中心被称为人马座A*(Sgr A*)的神秘射电发射源的高空间分辨率观测,发现了支持“太阳系所在的银河系的中心存在超大质量黑洞”观点的最令人信服的证据。该研究成果在Nature上发表后,迅即在国内外引起重大反响,一些国际和国内的科技媒体都在第一时间报道了这项研究工作,Nature在同期的栏目内还配发了专题评述。

 

面向国家战略需求 承担国家重大项目

 

    上海天文台积极利用长期积累的天文研究和观测技术的基础,充分发挥时间频率和精密确定空间飞行器轨道方面的优势,整合各方面的资源,积极参与国家重大工程,承担我国探月工程和深空探测VLBI测轨工作,导航定位系统的信息处理,以及卫星激光测距和时统系统等方面的重大任务,并作出了突出成绩。特别是将VLBI技术成功地应用到我国探月工程的测轨工作,为我国首次成功进行月球探测作出了不可替代的贡献,得到了上级有关部门的高度评价和褒奖。“这是中国科学院长期基础研究积累服务于国家战略需求中的典型成功案例。”

 

——VLBI测轨系统在月球探测工程中大显身手

 

    针对我国重大月球探测工程中卫星实时、高精测量、高可靠性调相变轨技术难题,上海天文台对天文的甚长基线干涉测量(VLBI)系统(由上海、乌鲁木齐、北京和昆明四台大型射电望远镜和上海数据处理中心组成)进行了关键技术创新与集成,取得了突破性成果,完全满足嫦娥一号卫星和嫦娥二号卫星月球探测快速飞行和多次变轨的要求,圆满完成了卫星关键阶段的测轨任务,为将卫星准确送入环月轨道作出了重要贡献。并在为它们做绕月飞行以及扩展任务进行精密定轨。该成果将应用到我国探月二、三期工程,和我国后续的深空探测任务中,具有重大的经济和社会效益。上海天文台主持的VLBI测轨分系统在绕月探测工程中作出的突出贡献,被全国总工会授予“全国五一劳动奖状”,获六部委授予的探月工程突出贡献单位,该项目还荣获上海市科学技术进步奖一等奖。

 

——为上海城市发展和社会进步作贡献

 

    上海天文台充分利用现有天文观测设备和相关技术,瞄准国家战略需求,瞄准上海市中长期技术创新的主要任务,围绕国家在建的重大专项,通过与上海市科委共建上海市空间导航与定位技术重点实验室,建立空间导航与定位天文测轨平台,开展空间飞行器精密定轨关键技术研究及其应用,为在建的国家重大专项及后续建设提供技术支持和储备,使上海在空间导航和定位技术领域的研究处于世界前沿水平,满足上海市卫星导航技术应用和社会经济发展的需求,争取实现在空间导航和定位技术领域建成国家重点实验室的建设目标。

 

——研制生产氢原子钟满足国家需求

 

    上海天文台具有长期从事氢原子钟研制的历史,是国内唯一的氢原子钟研制生产并实际使用单位,氢原子钟是我国唯一产品化、实用型的氢钟。长期稳定度(天)相当于30万年误差小于1秒。高精度时间比对已经应用于二代导航。上海天文台生产的80多台氢钟,广泛应用于国防和科研领域,打破了国际发达国家对我国的禁运,为国家科学研究和战略需求作出了重要贡献。

 

    上海天文台具有雄厚的人才队伍,现有280多名的各类优秀人才。中国科学院院士1人,中国工程院院士1人,国家“973”首席科学家1人,国家百千万工程专家2人,国家杰青获得者6人,中科院“百人计划”16人,政府特殊津贴10人。全台具有高级职称人员100多人,45岁以下的中青年人才达到180人,另有研究生近140人,博士后20多人,客座教授近40人。

 

    “创新无止境,未来路正长。”洪晓瑜表示,只要我们继续围绕“一三五”的战略规划,树立“以人为本、创新跨越、竞争合作、持续发展”的科学发展观,大胆探索、锐意进取,就一定会再创新的辉煌。

 

来源:《中国科学报》 (2013-03-11 第8版 专题报道)(记者 黄辛)

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