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现实版的红岸基地:佳木斯66米射电望远镜

发布日期:2018年10月17日  来源:科普中国   浏览次数:3319

  出品:科普中国

  制作:巴甫洛夫的喵

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  东北的黑土地上,茂密的针叶林中,站立着一面巨大的抛物面天线。假如这架天线是矗立在一座陡峭的奇峰之上,那俨然就是刘慈欣《三体》小说中的“红岸基地”了。然而我们今天要说的并不是那个科幻文学中的红岸基地,而是一台实际存在着并运行着的,最接近红岸基地描述的望远镜——中国西安卫星测控中心佳木斯66米射电望远镜。     

图1 森林环绕中的佳木斯66米射电望远镜(摄影:西安卫星测控中心吕炳宏)。

  佳木斯66米射电望远镜,顾名思义,是一台坐落于黑龙江省佳木斯市的,口径66米的射电望远镜。不过更多的时候,人们叫它深空天线。  

  深空天线?

  得益于探月工程,“深空探测”一词大家可能都不陌生。一般认为,月球只是深空探测的前哨,我们以后还要对火星甚至更远的目标进行探测。我们在探索月球、甚至火星的时候,需要对探测器进行控制,也需要接收探测器传送回来的数据,而这些都需要用到“深空天线”。

  可以想象,要和遥远的探测器对话,我们不仅要有大嗓门,还得有灵敏的好耳朵。而佳木斯66米深空天线作为亚洲最大的全可动天线,就兼顾了“大嗓门”和“好耳朵”。不过这个嗓门和耳朵并不是收发声波的,而是收发电磁波的。佳木斯66米深空天线能够使用电磁波和月球的探测器进行良好的对话,是我国探月工程的主力设备之一。

  

图2 佳木斯66米深空天线及观测室(摄影:西安卫星测控中心吕炳宏)。

   

  

图3 观测室内,工作人员正在操纵望远镜(摄影:西安卫星测控中心 吕炳宏)。

  究竟是天线还是射电望远镜?

  不管是佳木斯66米深空天线,还是大家熟知的贵州“天眼”望远镜FAST,都可以统称为“天线”,但矫情的天文学家们一般会将用作天文观测的天线称为“望远镜”。又因为天线工作的电磁波频段是射电波段,所谓具体来说就是“射电望远镜”。

  人造信号,比如手机、人造卫星、深空探测器,等发出的信号,通常要比天文学家要观测的天体信号强很多。所以一般用来接收人造信号的天线并不需要太灵敏的“耳朵”。但是佳木斯66米天线不一样,它的目标是更为遥远的星辰大海!为了能和以后发射到更远的深空探测器对话,佳木斯66米天线收听信号的能力向着射电望远镜看齐,也因此具备了进行天文观测的能力。而实际上,它也正在进行着天文观测。所以也可以称它为“佳木斯66米射电望远镜”。

  我是个矫情的人,我喜欢叫它佳木斯66米射电望远镜。

  值得一提的是,因为一般的天文观测只需要接收信号,所以国内的射电望远镜,除了佳木斯这位,都没有发射信号的能力。所以,要问cosplay红岸基地哪家强?佳木斯66米射电望远镜当仁不让!

  

图4 点点繁星之下的佳木斯66米射电望远镜(摄影:西安卫星测控中心 吕炳宏)。

  脉冲星——也许能带我们走得更远

  佳木斯66米射电望远镜目前主要的天文观测目标是脉冲星。你说它一个深空站,怎么就去看脉冲星了呢?别说,要想去征服更遥远的星辰大海,也许还得靠脉冲星。

  我们以前的科普文(https://mp.weixin.qq.com/s/y5Y3uLPl4XRkd36nIyZaBg 和 https://mp.weixin.qq.com/s/udGn8VC45n3SQNVGCbueHw)介绍过,脉冲星是随着自身转动,辐射束周期性扫过地球的中子星。想象一座灯塔,光束不断扫过四周,如果我们站的位置刚好能被扫到,那就能周期性地感受到光亮。脉冲星,就是宇宙中的灯塔。

  

图5 脉冲星示意图。上边部分展示的是一颗旋转中的中子星(紫色球)及其两个辐射束(黄色束)。下边部分红点指示对应时刻我们看到的中子星的亮度。黄色曲线是中子星旋转一周的亮度变化。(图片来源: http://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/

  如果我们的探测器飞出了太阳系,去到地球上的天线再也无法与其通信的遥远星际空间,那失去地面控制的探测器要怎么顺利到达它的目的地呢?一种可能的方案就是让探测器利用脉冲星进行自主导航。

  使用脉冲星来进行导航之前,需要先用地面的射电望远镜对脉冲星做细致的观测,分清楚哪些脉冲星适合用来做导航,并为可以用来做导航的每一颗脉冲星制作一份“档案”。而这些档案就是未来星际探测器进行星际旅行时所需要用到的地图了。星际航行中的探测器虽然不再接受地球人的控制,但却可以自己观测脉冲星,然后根据身上带着的“地图”,确定自己在宇宙空间中的位置。

  最近的一项科研进展中,国家天文台的天文学家利用佳木斯66米射电望远镜观测了10颗脉冲星,并对它们的“星际闪烁”现象进行了分析。

  可能很多人见过这样的场景:阳光透过清澈的水体照射到水底,随着水面的波动,水底的光影也随着抖动变化。

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图6 阳光投射到水底形成斑驳的光斑(图片来源:百度图片)。

  类似的,脉冲星发出的电磁波,透过星际介质照射到地球上,也会随着星际介质的波动而发生明暗变化。这种现象我们称之为“星际闪烁”。从观测中,我们可以看到脉冲星不同频率的电磁波随时间发生亮度变化(见图7)。

  

图7 佳木斯66米射电望远镜观测到的脉冲星B0355+54星际闪烁现象(P.F.Wang et al. 2018)。颜色表示脉冲星辐射的亮度,横轴是时间,纵轴是电磁波频率。

  对这些变化的数据进行深入的处理,除了能得到星际介质的一些信息,还能推算脉冲星的横向速度等信息。而脉冲星的运动信息,也是星际航行“地图”中所不可缺少的。   

  红岸基地

  不同于《三体》小说中的红岸基地,佳木斯66米射电望远镜并不用来直接与外星文明建立联系,而是努力地协助人类的航天器飞向更远的宇宙空间。与红岸基地相同的是,佳木斯66米射电望远镜同样承载着人类对宇宙空间的向往!  

图8 佳木斯深空站部分工作人员合影

  参考资料:

  1.   佳木斯深空站圆满完成“鹊桥”中继星近月制动任务 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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