FAST望远镜的国际合作。

1933年,贝尔实验室的卡尔·扬斯基意外发现了来自银河系中心的稳定电磁辐射,这标志着射电天文学的诞生。现代天文学的四大发现——类星体、脉冲星、3K宇宙背景辐射和星际分子——都是基于射电天文学。在获得诺贝尔物理学奖的项目中,有八个涉及天文学,其中五个与射电天文学密切相关。接收面积是天文望远镜最重要的综合性能参数。中国科学院国家天文台根据天文学和天文观测的特点、要求和现有技术力量,提出了建设我国500米口径球面射电望远镜(FAST)的总体工程构想。它的有效接收面积比现有和计划中的世界上最大的全可移动单天线望远镜高出近一个数量级,它将是世界上最大的单孔径射电望远镜。快速工程概念的形成过程体现了广泛的国际合作、不断的技术创新和跨学科。在国际无线电科学联合会(URSI)1993京都会议上,来自澳、加、中、法、德、印、荷、俄、英、美等国的天文学家共同提出建设接收面积为1平方公里的大型望远镜阵列(LT)。符合根据利文斯通曲线(图1)对射电望远镜综合性能进度的预测,具有明确的科学动力——在不同宇宙距离上对中性氢的观测。“人类渴望真正看一看最初的宇宙,在无线电波环境被完全破坏之前,了解宇宙的结构是如何形成和演化至今的。只有大射电望远镜SKA才能帮助人类实现这个梦想。”如果失去这个机会,我们只能在月球背面建造一个同样口径的望远镜,因为那里的星系背景噪声是一样的。

SKA可分为约30个基本单元,每个单元直径约200米,以获得高分辨率和快速成像能力。65438-0999年,国际SKA指导委员会(ISSC)成立,成员包括主要射电天文学大国。SKA的0级科学目标与几乎所有的天文问题有关。其150足球场的大接收面积,可将天文观测延伸至原始宇宙,其无需时域频域积分的原始高灵敏度,使其成为瞬态多色宇宙的相机。ISSC计划在2020年建造SKA,项目总预算为6543.8+0亿美元。

SKA既体现了现代科学的想象力,也有风险,没有广泛的科技合作是很难实现的。中国的射电天文战略应该以SKA为重点。

1994年4月,国家天文台(原北京天文台)在贵州启动SKA选址工作,1995年10月,10在贵州成功举办国际大型射电望远镜工作组(LTWG-3)第三次会议。1995 65438+2月,SKA中国推进委员会在国家天文台召开成立暨首届SKA学术年会,对贵州洼地遗址、各种潜在或新型宽带馈源、无平台电缆支撑、球面反射体结构、天线整体电性能展开全方位探索。1997年7月,SKA中国推进委员会提出了中国自主建造世界最大单孔径球面望远镜(FAST)的初步设想。2000年4月,快速通用集团在贵州举办了一次大型国际会议(IAU学院182)。

除了FAST,还有其他实现SKA的工程方案,如美国的ATA,荷兰的AAT,加拿大的LAR,澳洲的吕纳堡透镜阵列和柱面镜,印度的PPD。实现SKA最终方案的决定还需要一段时间。无论FAST最终能否成为SKA的主导单位,它都将是世界上最大的单口径射电望远镜,其世界领先地位将保持至少20年。从1994开始,以国家天文台为核心组建了SKA中国团队,成员包括中国科学院、教育部、原电子工业部、航天工业总公司、贵州省科技厅。提出了SKA中国工程概念主导单位FAST的创新方案设计,科学目标、场地、有源反射器、馈电电缆支撑、天线总体电气性能、测控、接收系统等。以多学科的方式进行研究。FAST的创新设计和丰富的科技含量吸引了国内外的广泛合作。在从事FAST预研的高校和科研院所中,开展相关领域课题的研究生近50人,其中14人获得学位,11人博士后。一些早期的参与者已经成长为学术带头人。

FAST项目的创新点如下(图2):利用贵州天然喀斯特坑洞作为台址;坑内铺设直径500米的球冠主动反射镜,观测时被照射部分形成直径300米的瞬时抛物面,地面校正球差,实现实时宽带、全偏振;馈源由集光、机、电于一体的光缆牵引机构支撑,馈源舱内安装二级稳定平台,使望远镜在焦点与主动反射镜之间没有刚性连接的情况下,能够准确、快速地指向和跟踪。

在1998年4月召开的SKA第三届年会上,国家天文台明确提出了FAST工程的概念。会上成立了FAST项目委员会,并明确了由全国20多家研究单位组成的相关小组,重点开展上述关键技术的可行性研究。作为首批“重大创新项目”,FAST预研于1999年3月立项,得到中国科学院和科技部的支持。在国家天文台大射电望远镜技术实验室(FAST总体组)的协调下,各项关键技术可行性研究项目进展顺利,并于2001年底通过中科院验收。

从SKA中国推进委员会、FAST项目委员会到FAST总体团队,历经10年,我国天文及相关工程界科研工作者精诚合作,在科技部、中科院、国家基金委的支持下,FAST总体团队完成了FAST主动反射器、馈源电缆支撑等关键技术的可行性研究,关键技术均取得突破,不存在技术风险,具备了参与国家重大科学项目遴选和立项的条件。

FAST的创新设计体现了中国人的自主知识产权,将提高中国基础科学研究的整体展示和中国的综合国力。据不完全统计,截至2003年底,已发表相关研究论文约280篇,其中SCI论文61篇,EI论文30篇,国际会议论文72篇,国内外期刊109篇,专著4部。FAST总体组与全球几乎所有大型射电天文台都有长期稳定的实质性合作。1993,召集并主持了与中国、德国、瑞典、荷兰、英国、美国、澳大利亚、俄罗斯专家的各种合作讨论和关键技术磋商。在1997年,农业部与五个国家签署了一项技术研究计划,以合作开发未来的甚大射电望远镜:荷兰、美国、澳大利亚、加拿大和印度。1999年,北京天文台与英国Jodrell Bank天文台签署谅解备忘录:FAST合作。2000年,它延长了与荷兰的双边合作备忘录,如2000年联合研究建议:koninklijk e Nederlandse Akademie van wetenschappn。此外,与美国阿雷西博天文台的合作进展顺利(图3);焦室内望远镜接收系统的方案设计已经通过。英国合作完成;到底怎么回事是:中国?荷兰人,中国人?澳大利亚与相控阵多波束合作研究。

在伦敦,FAST团队受邀参加RAS的月度会议,向150成员(RAS Fellow)介绍FAST项目。在剑桥大学,诺贝尔物理学奖获得者、脉冲星发现者赫维什参与了FAST项目组一整天的合作讨论。事后,他还修改了FAST主动反射器的文章,推荐给著名天文杂志MNRAS发表。PPARC国际合作主任P. Fletcher博士于1998和2000年两次访问国家天文台,了解FAST的工作情况,讨论中英FAST合作的具体事宜。1998 10、PPARC天文部主任P. Murdin教授、英国Jodrell Bank天文台台长A. Lyne教授、MERLIN台长P. Wilkinson教授、总工程师J. A. Battilana博士因FAST合作首次访华。随后,Jodrell Bank天文台的四名高级馈源工程师J. A. Battilana、N. Roddis、C. Baines和G. Kitching对FAST馈源舱的总体设计进行了为期三个月的合作研究,并于2000年2月对FAST总体组进行了为期一周的访问,初步形成了两个天文台之间研制FAST接收系统的合作框架。

这种国际科技合作将使FAST拥有与国际前沿接轨的先进接收系统。澳大利亚的焦德雷尔班克天文台和ATNF天文台是多波束馈源系统最成功的开发商和用户。中英两国正在开展FAST馈源舱具体构型的联合技术设计,综合考虑FAST科学目标要求、馈源接收器技术可行性和初步成本估算。具体内容包括:快速工作频段的设置,不同频段的馈源类型及在馈源舱中的位置安排,极化方式,馈源接收机的本振及多路系统,低噪声放大器(LNA),制冷机的选择及前置真空系统的合理配置,制冷机与接收机的实时监控系统,信号(光纤)传输问题, 快速馈源舱电源、馈源接收机运行维护、高精度测量定位系统、主控室天文仪器设备等。

英方还为FAST设计提供技术建议和支持,如FAST有源球面反射器的设计、馈源支撑、天线整体电气性能和电磁兼容性等。,并通过人员互访、双边技术研讨会和联合开发开展科技合作。从2001开始,英方合作为FAST培养馈源接收机电子工程方面的博士。此外,如果FAST能够正式开工,英方将提供资金,与中方共同完成多波束馈源接收系统的建设。而中国则为英国提供部分FAST观测时间,进行世界级的天文研究。

SKA已经成为由OECD MSF协调的大型射电天文项目,为FAST项目提供了国际交流和技术合作的平台。1998年5月至6月,邀请荷兰天文研究基金会(NFRA)和阿姆斯特丹大学的天文学家R Strom教授和世界排名第一的天线大师、德国的S von Hoener教授访问国家天文台,与有关专家共同探讨FAST的科学目标和技术方案。

截至2003年底,FAST已在大型国际会议上做了9次专题报告。《科学》在1995、1998和2002年三次报道了FAST预研的进展。2003年,科技部批准启动“国际科技合作重点项目”:1平方公里阵列SKA国际合作。