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万里挑一的选址:FAST为何选择这个"窝"里建
来源:互联网  (转载协议)   发布日期:2016-09-26 10:30   浏览:4608专栏投稿 值班编辑:QQ281688302

世界最大单口径射电望远镜(FAST) 。 中新社记者 贺俊怡 摄 如何给世界最大射电望远镜找到合适的家 中国青年报中青在线记者 白皓 王景烁 世界最大单口径射电望远镜(FAST)今天在贵州省平塘县正式投入使用,这一500米口径的球面射电望远镜建设在喀斯特地貌天然

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世界最大单口径射电望远镜(FAST) 。 中新社记者 贺俊怡 摄

如何给世界最大射电望远镜找到合适的家

中国青年报·中青在线记者 白皓 王景烁

世界最大单口径射电望远镜(FAST)今天在贵州省平塘县正式投入使用,这一500米口径的球面射电望远镜建设在喀斯特地貌天然形成的洼地中,被誉为“观天巨眼”。

由于FAST的落户,安放“观天巨眼”的洼地也成为科学界关注的焦点,人们称这个名叫“大窝凼”的自然洼地为“地球上最美的眼窝”。

FAST正式启用前夕,项目选址科研团队负责人宋建波接受中国青年报·中青在线专访,揭秘在本世纪初为大射电望远镜秘密选址的科研过程。

选址从找到一万多个“窝”开始

从2002年11月接到大射电望远镜台址第二轮选址科研任务开始,贵州工业大学(后并入贵州大学)教师、地质工程专业博士后宋建波面临的第一个考验是可供参考的资料极少。

“如果把每个可以建造望远镜的天然洼地比作一个‘窝’,那我们的研究范围内到底有多少‘窝’,这些‘窝’都在哪里?”宋建波说,当时没有现成的资料,可以用的技术手段又非常有限,只有上“笨办法”:一个一个找,一个一个数。

科研团队一头扎进了厚厚的地形地质图里。从1:50万的地形地质图看起,岩石的分布特征让他们首先确定了“窝”肯定不会出现的地理位置,排除掉之后的其他区域,就可能出现适合望远镜“安家”的“窝”。

地质图随后被精确到了1:1万,团队成员开始在一张张茶几大小的图上沿着密密麻麻的等高线“找圈圈”:“圈圈”越圆、越大就越有可能是要找的目标,“圈圈”旁边蚂蚁大小的数字则显示这是一座山峰还是一个“窝”。

“发现一个‘窝’拿笔记录下一个,看了8000多幅图,最后找出来一万多个‘窝’。”宋建波说,现在FSAT所在的“窝”就是那一万多个中的一个,当时看图就感觉眼前一亮,“但哪个最合适不是感觉出来的,得靠科学。”

3位带着厚厚眼镜的博士花了3个月用“笨办法”找出了最基础的研究资料,蓝色的圆珠笔记录下每个“窝”的基本情况,记录本上同时划满了红色圆珠笔的标注,有的“窝”前划了红勾,有的打上了圈,有的直接一条横线彻底划掉。

2003年7月,经过数次筛选,一个由743个“窝”组成的备选洼地数据库正式形成。紧接着,科研团队拿着一份像选航天员一般“苛刻”的指标,评价每一个“窝”的情况——“窝”内的岩体结构、水文情况、长短轴比例、挖填方率是否合适;“窝”口的闭合情况、几何形状是否达标;整个“窝”的地质灾害、地震风险、气象条件、无线电环境等等是否满足条件。

最终,743个“窝”被进一步筛选出82个成为重点考察对象,这些喀斯特洼地集中分布于贵州黔南州、黔西南州和安顺市境内。团队花了几万元研究经费买了一辆长城赛弗越野车,开始对这82个“窝”进行实地调查。

82个“窝”里寻找解题之道

“翻山越岭,82个‘窝’一个都不能少。”宋建波回忆说,当时贵州的交通状况很差,有时调查一个“窝”路上要花一天,越野车顺着狭窄的山间毛路前进,一边是大山,一边是悬崖,开到是在没办法前进的地方停下,再走到“窝”里。

实地调查并不是看看大山、敲敲石头那么简单,除了岩体和地质结构的观察,山体里的水系统对望远镜的“人身安全”意义重大,一旦“窝”底的排水系统堵塞,山体中的水将无法流入地下暗河,望远镜就有被淹没的危险。科研团队经常要找到每一处水源,沿着明河、暗河行走研究水动力的过程,这时常需要在三伏天顶着烈日走上很长时间。

调查途中遇到困难,科研团队不敢声张求助,在当时,这还是一项保密的科研任务。整个团队当时抱着一个信念:哪个地址最合适要靠科学计算成果得出来,选址结果要对历史负责。

两个多月的实地调查后,科研团队进入了近一年的核心攻关阶段:他们计划开发一套仿真系统,立体呈现每一个重点考察的“窝”和大射电望远镜结合在一起的样子,再对建设中需要考虑的几何、地质、工程等等条件进行综合计算。

这套系统的学名叫做“洼地三维仿真和台址优选系统”,宋建波解释说,通俗讲就是用来计算每个洼地最合适建多大口径的望远镜,如果确定要建500米口径的FAST望远镜,那么就计算哪个“窝”建设工程量最校

“这是我们科研团队的首创,做出来了以后给类似望远镜选址都能用上,选址难题就能找到解题之道。”宋建波说,系统应用起来轻巧,但开发起来难度比想象中大很多,除了地质学的知识外,还需要扎实的数学、物理、计算机功底,“有时候还需要一些灵感。”

宋建波反复说,核心攻关的过程中“累惨了”,团队成员都刚刚30出头,有时吵上几句,有时发发牢骚,通宵后睡办公室是常事。

系统最终给出了团队最想要的答案:计算精度高,挖方模型计算误差仅为0.44%,填方模型计算误差为0.66%,系统使计算效率大大提高,与此同时,系统还能计算出整个望远镜球心的建设位置,这将有利于施工阶段减少误差。

“大窝凼”最终浮出水面

在“洼地三维仿真和台址优选系统”的支撑下,通过专业的定性分析和定量计算,科研团队给出了首批推荐的FAST核心备选台址,推荐中排名第一的“窝”叫做“大窝凼”,用五种方法计算出的结果均为“好”。“打多”、“砂锅堡葫芦冲”、“商家冲”三个“窝”分列二到四名。

计算结果同时显示“大窝凼”最适宜建设的射电望远镜口径为546米,最符合FAST500米口径的需求。之后,科研团队对“大窝凼”进行了更加细致的研究和计算。

考虑到FAST接收的信息一般是来自遥远宇宙极弱的天体无线电信号,任何轻微的电波干扰都将使FAST失去威力,同时,气候要素也影响着FAST的结构设计和正常使用,冰雹是影响望远镜运行安全的主要气象灾害,在2004年2月至2005年2月,贵州省无线电管理委员会和贵州省气象局对“大窝凼”进行了长达一年的无线电话经检测和气候环境监测。

2006年,FAST项目正式决定选址贵州平塘“大窝凼”。

“最终事实证明我们找到了FAST最合适的家。”宋建波感慨,大约4年的科研努力在宣布决定选址的那一刻感觉值了,“算是当时平均年龄32岁的一群年轻人创造的惊喜。”

随着研究的深入,团队除了进行FAST项目的选址研究外,还把目光投向了一个简称为SKA的项目,这个项目计划建设接收面积达到一平方公里射电望远镜阵,以观测到更多的天文信息,以解决目前困扰科学界的众多尖端问题。

2004年,中国科学院国家天文台对中国SKA站址进行了非常严格的布局要求,要求中国SKA台址的核心区尽可能包括FAST台址,已建成的新疆、北京、青海、上海、云南5个射电望远镜台址必须在SKA台址的核心区的对数螺旋线(天文学专有名词——记者注)上,同时要完成更多台址的选址,以满足望远镜接收面积达到一平方公里。

面对这个同样是“世界级”难度的选址,科研团队在前期研究的基础上,开发了“中国SKA台址布局可视化系统程序”,并计算出两个方案:一种是建63个口径相对较大的望远镜,一种是建126个口径相对较小的望远镜。

“这意味着未来中国建造射电望远镜阵的‘窝’也选好了。”宋建波说,FAST启用是个重要的开始,“研究地质的人祝福研究天文的能带来更多惊喜。”

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