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现实版的红岸基地:佳木斯66米射电望远镜

發布日期:2018年10月17日  來源:科普中国   瀏覽次數:9450

  出品:科普中國

  制作:巴甫洛夫的喵

  監制:中國科學院計算機網絡信息中心

  東北的黑土地上,茂密的針葉林中,站立著一面巨大的拋物面天線。假如這架天線是矗立在一座陡峭的奇峰之上,那儼然就是劉慈欣《三體》小說中的“紅岸基地”了。然而我們今天要說的并不是那個科幻文學中的紅岸基地,而是一臺實際存在著并運行著的,最接近紅岸基地描述的望遠鏡——中國西安衛星測控中心佳木斯66米射電望遠鏡。     

圖1 森林環繞中的佳木斯66米射電望遠鏡(攝影:西安衛星測控中心呂炳宏)。

  佳木斯66米射電望遠鏡,顧名思義,是一臺坐落于黑龍江省佳木斯市的,口徑66米的射電望遠鏡。不過更多的時候,人們叫它深空天線。  

  深空天線?

  得益于探月工程,“深空探測”一詞大家可能都不陌生。一般認為,月球只是深空探測的前哨,我們以后還要對火星甚至更遠的目標進行探測。我們在探索月球、甚至火星的時候,需要對探測器進行控制,也需要接收探測器傳送回來的數據,而這些都需要用到“深空天線”。

  可以想象,要和遙遠的探測器對話,我們不僅要有大嗓門,還得有靈敏的好耳朵。而佳木斯66米深空天線作為亞洲最大的全可動天線,就兼顧了“大嗓門”和“好耳朵”。不過這個嗓門和耳朵并不是收發聲波的,而是收發電磁波的。佳木斯66米深空天線能夠使用電磁波和月球的探測器進行良好的對話,是我國探月工程的主力設備之一。

  

圖2 佳木斯66米深空天線及觀測室(攝影:西安衛星測控中心呂炳宏)。

   

  

圖3 觀測室內,工作人員正在操縱望遠鏡(攝影:西安衛星測控中心 呂炳宏)。

  究竟是天線還是射電望遠鏡?

  不管是佳木斯66米深空天線,還是大家熟知的貴州“天眼”望遠鏡FAST,都可以統稱為“天線”,但矯情的天文學家們一般會將用作天文觀測的天線稱為“望遠鏡”。又因為天線工作的電磁波頻段是射電波段,所謂具體來說就是“射電望遠鏡”。

  人造信號,比如手機、人造衛星、深空探測器,等發出的信號,通常要比天文學家要觀測的天體信號強很多。所以一般用來接收人造信號的天線并不需要太靈敏的“耳朵”。但是佳木斯66米天線不一樣,它的目標是更為遙遠的星辰大海!為了能和以后發射到更遠的深空探測器對話,佳木斯66米天線收聽信號的能力向著射電望遠鏡看齊,也因此具備了進行天文觀測的能力。而實際上,它也正在進行著天文觀測。所以也可以稱它為“佳木斯66米射電望遠鏡”。

  我是個矯情的人,我喜歡叫它佳木斯66米射電望遠鏡。

  值得一提的是,因為一般的天文觀測只需要接收信號,所以國內的射電望遠鏡,除了佳木斯這位,都沒有發射信號的能力。所以,要問cosplay紅岸基地哪家強?佳木斯66米射電望遠鏡當仁不讓!

  

圖4 點點繁星之下的佳木斯66米射電望遠鏡(攝影:西安衛星測控中心 呂炳宏)。

  脈沖星——也許能帶我們走得更遠

  佳木斯66米射電望遠鏡目前主要的天文觀測目標是脈沖星。你說它一個深空站,怎么就去看脈沖星了呢?別說,要想去征服更遙遠的星辰大海,也許還得靠脈沖星。

  我們以前的科普文(https://mp.weixin.qq.com/s/y5Y3uLPl4XRkd36nIyZaBg 和 https://mp.weixin.qq.com/s/udGn8VC45n3SQNVGCbueHw)介紹過,脈沖星是隨著自身轉動,輻射束周期性掃過地球的中子星。想象一座燈塔,光束不斷掃過四周,如果我們站的位置剛好能被掃到,那就能周期性地感受到光亮。脈沖星,就是宇宙中的燈塔。

  

圖5 脈沖星示意圖。上邊部分展示的是一顆旋轉中的中子星(紫色球)及其兩個輻射束(黃色束)。下邊部分紅點指示對應時刻我們看到的中子星的亮度。黃色曲線是中子星旋轉一周的亮度變化。(圖片來源: http://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/

  如果我們的探測器飛出了太陽系,去到地球上的天線再也無法與其通信的遙遠星際空間,那失去地面控制的探測器要怎么順利到達它的目的地呢?一種可能的方案就是讓探測器利用脈沖星進行自主導航。

  使用脈沖星來進行導航之前,需要先用地面的射電望遠鏡對脈沖星做細致的觀測,分清楚哪些脈沖星適合用來做導航,并為可以用來做導航的每一顆脈沖星制作一份“檔案”。而這些檔案就是未來星際探測器進行星際旅行時所需要用到的地圖了。星際航行中的探測器雖然不再接受地球人的控制,但卻可以自己觀測脈沖星,然后根據身上帶著的“地圖”,確定自己在宇宙空間中的位置。

  最近的一項科研進展中,國家天文臺的天文學家利用佳木斯66米射電望遠鏡觀測了10顆脈沖星,并對它們的“星際閃爍”現象進行了分析。

  可能很多人見過這樣的場景:陽光透過清澈的水體照射到水底,隨著水面的波動,水底的光影也隨著抖動變化。

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圖6 陽光投射到水底形成斑駁的光斑(圖片來源:百度圖片)。

  類似的,脈沖星發出的電磁波,透過星際介質照射到地球上,也會隨著星際介質的波動而發生明暗變化。這種現象我們稱之為“星際閃爍”。從觀測中,我們可以看到脈沖星不同頻率的電磁波隨時間發生亮度變化(見圖7)。

  

圖7 佳木斯66米射電望遠鏡觀測到的脈沖星B0355+54星際閃爍現象(P.F.Wang et al. 2018)。顏色表示脈沖星輻射的亮度,橫軸是時間,縱軸是電磁波頻率。

  對這些變化的數據進行深入的處理,除了能得到星際介質的一些信息,還能推算脈沖星的橫向速度等信息。而脈沖星的運動信息,也是星際航行“地圖”中所不可缺少的。   

  紅岸基地

  不同于《三體》小說中的紅岸基地,佳木斯66米射電望遠鏡并不用來直接與外星文明建立聯系,而是努力地協助人類的航天器飛向更遠的宇宙空間。與紅岸基地相同的是,佳木斯66米射電望遠鏡同樣承載著人類對宇宙空間的向往!  

圖8 佳木斯深空站部分工作人員合影

  參考資料:

  1.   佳木斯深空站圓滿完成“鵲橋”中繼星近月制動任務 https://mp.weixin.qq.com/s/saOhD1ZK8XywQPqjh8GCkw

  2.   Xu, Dezhen, et al. "First geodetic VLBI sessions with the Chinese Deep Space Stations Jiamusi and Kashi." Advances in Space Research 58.9 (2016): 1638-1647.

  3.   Wang, P. F., et al. "Jiamusi Pulsar Observations: II. Scintillations of 10 Pulsars." arXiv preprint arXiv:1808.06406(2018).

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