Но потребуется еще один всплеск изобретательности, чтобы заставить массивный инструмент Китая выполнить свое обещание
Потусторонний карстовый ландшафт делал доставку материалов и оборудования на объект дьявольски трудной задачей. VCG через Getty Images
ДАВОДАН, КИТАЙ — В потрясающем ландшафте зубчатых известняковых холмов на юго-западе Китая инженеры наносят последние штрихи на грандиозное астрономическое сооружение: тарелку шириной в полкилометра, расположенную в естественной впадине, которая будет собирать радиосигналы из космоса. Крупнейший в мире радиотелескоп будет каталогизировать пульсары; исследовать гравитационные волны, темную материю и быстрые радиовсплески; и прослушивать передачи от инопланетных цивилизаций.
И все же архитектор «тур де форс» пресыщен тем, что может запечатлеть его телескоп. «К сожалению, я действительно не очень интересуюсь наукой», — говорит Нан Рендонг, главный научный сотрудник и главный инженер Сферического радиотелескопа с апертурой в пятьсот метров (FAST). Коллеги настаивают, что он шутит, но нет никаких сомнений в том, что то, что потребовало 2 десятилетия его жизни — и теперь поражает других астрономов — это инженерия. «Как подвиг гражданского строительства, FAST, очевидно, удивителен», — говорит Фред Ло, бывший директор США. Национальная радиоастрономическая обсерватория (NRAO) в Шарлоттсвилле, штат Вирджиния.
Это не просто огромные размеры FAST — у него более чем в два раза больше площади сбора, чем у занявшего второе место, 305-метрового блюда в Аресибо, Пуэрто-Рико. FAST также открывает новые возможности в радиоастрономии благодаря конструкции, которая превращает часть сферической тарелки в постепенно движущийся параболоид, чтобы нацеливаться на космические объекты и отслеживать их по мере вращения Земли, что обеспечивает преимущества наклонной поворотной антенны на неподвижной тарелке. Это нововведение «абсолютно уникально, никто никогда не делал этого раньше», — говорит Дик Манчестер, радиоастроном из Австралийской организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) в Сиднее.
Есть еще одна причина, по которой Нэн пока не беспокоится о науке. Хотя высокопоставленные лица отметили завершение работы FAST на церемонии 25 сентября здесь, в провинции Гуйчжоу, телескоп пока работает не так, как планировалось. Nan сосредоточена на решении недавно обнаруженного технического сбоя, который препятствует возможности формирования блюд и ограничивает раннюю науку. Чтобы БЫСТРО выполнить свои научные обещания, он говорит: «Нам многое предстоит сделать».
«Нет никаких сомнений в том, что Нан является главной движущей силой для БЫСТРОГО, от начала до конца», — говорит Ло. Инженерная склонность Нана восходит к его студенческим годам, когда он изучал сверхвысокочастотную электронику в Университете Цинхуа в Пекине в середине 1960-х годов; во время бурной культурной революции в Китае он провел десять лет, работая на заводе электроники. Затем он вернулся в академию, получив степень доктора философии по астрономии и астрофизике в Университете науки и техники Китая в Хэфэе.
Долгое созревание FAST началось в 1990-х годах, когда Нан входил в состав делегации Китая в международной рабочей группе, которая в конечном итоге предложила массив квадратных километров (SKA) в качестве радиотелескопа следующего поколения. Астрономы рассчитывали на достижения в области интерферометрии, чтобы объединить радиоволны с десятков или даже сотен тарелок, тем самым создав область сбора, намного большую, чем любой существующий телескоп. В первые дни планирования Китай соперничал за право проведения СКА, предлагая построить несколько больших блюд в известняковых впадинах, которые пронизывают его юго-западные провинции. Китайские астрономы даже провели предварительную работу над FAST в качестве прототипа.
Вместо этого сторонники СКА выбрали дизайн с тысячами маленьких блюд. Китай был исключен из списка объектов-кандидатов в 2006 году; ожидается, что строительство первой очереди СКА в Южной Африке и Австралии начнется в 2018 году. Проглотив свое разочарование, Нан и его коллеги все равно подтолкнули Китай к быстрому строительству.
Одиночные тарелки превосходно наблюдают точечные источники, такие как нейтронные звезды, и сканируют множество частот в поисках внеземного разума, говорит астроном Ли Ди, ученый из проекта FAST, который ранее работал в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния. Еще одно преимущество заключается в том, что по сравнению с несколькими блюдами в массиве, отдельные блюда «относительно дешевы и относительно просты в обновлении», — говорит Джордж Хоббс, астроном из CSIRO. «Ты просто продолжаешь создавать лучшие приемники».
После того, как международная группа по обзору одобрила FAST, Национальная комиссия Китая по развитию и реформам в 2007 году выделила 90 миллионов долларов на запуск проекта; дополнительная поддержка со стороны нескольких агентств увеличила финансирование до 180 миллионов долларов. Нан руководил большей частью предварительной работы над FAST, и в 2008 году он был назначен главным ученым и главным инженером. «Традиционно это две работы», — говорит Ли, но практический опыт и научная подготовка Нана, по его словам, позволили ему выступать перед финансирующими агентствами «в своих инженерных и научных шляпах».
Нэн уже знала, где построить тарелку, и он знал, что это будет нелегко. В 1990-х годах спутниковые исследования выявили 400 потенциальных депрессий в юго-западных провинциях Китая. Это число было отсеяно, пока Нэн лично не проверила несколько из них. Он вспоминает, как отправился в депрессию Даводанг и, подняв глаза, увидел почти круглое небо, которое «было похоже на то, как будто находишься на дне колодца.
«Участок является лучшим для БЫСТРОГО, худшим для строительства», — говорит Нан. Это в нескольких часах езды от ближайшего шоссе, вниз по резким, узким дорогам, которые петляют между высокими вершинами и крошечными деревушками. Команда FAST построила 7-километровую дорогу, связывающую впадину с ближайшим городом. Труднодоступность ограничила использование тяжелой техники. «Почти все приходилось делать вручную», — говорит Нэн. «Очень преданные работники», — говорит он, взваливали на плечи 100-килограммовые грузы при температуре выше 40°C. Для сравнения, он говорит: «Строительство моста в Пекине или Шанхае — это кусок пирога».
Они очень близки к достижению совершенно замечательного подвига.
Команда БЫСТРО смоделировала по образцу телескопа Аресибо. Оба они построены в карстовых впадинах и опираются на стальные кабельные сетки, подвешенные, как гамаки, к опорам, закрепленным на известняковых вершинах. И, как и обсерватория Аресибо, FAST использует необычный подход к фокусировке входящих радиоволн.
Тарелки радиотелескопа, как правило, параболические, потому что эта форма фокусирует волны от астрономических объектов в соответствии с осью параболы в точку над тарелкой. Приемники телескопа — или субрефлектор — расположены в этой точке. Но параболический телескоп должен быть управляемым и способным указывать на астрономические объекты и отслеживать их по мере вращения Земли, потому что параболические отражатели искажают волны от внеосевых целей.
Невозможно управлять Аресибо и БЫСТРО, потому что их огромные тарелки прикреплены к земле. Таким образом, оба имеют сферическую форму, что позволяет им собирать и концентрировать волны от внеосевых источников, не фокусируясь на точке. Аресибо нацеливается на космические объекты, изменяя положение приемной платформы для улавливания отраженных волн. Внутри платформы сложная зеркальная система фокусирует их. Но это ограничивает срез наблюдаемого неба примерно на 20° от зенита; дальше от зенита искажение слишком велико. Система коррекции также приводит к созданию платформы весом около 900 тонн. «Эта зеркальная система и вся платформа очень велики для Аресибо, и она была бы огромной для БЫСТРОЙ и тяжелой», — говорит Манчестер.
Вместо этого Нан и его команда разработали систему, которая вытягивает секцию сферического отражателя FAST диаметром примерно 300 метров в тонкую параболу, одновременно размещая приемники вдоль оси параболы. «Это похоже на формирование чаши меньшего размера в большом воке», — говорит Ли. Положение параболы может быть изменено в реальном времени, так что параболическая ось всегда направлена на космический объект, представляющий интерес, когда Земля вращается, точно так же, как это делает управляемый радиотелескоп. FAST может наблюдать до 40° от зенита. И поскольку он не нуждается в сложном корректирующем механизме, его приемная платформа может содержать больше инструментов, чем у Аресибо.
Создание активного поверхностного отражателя «было смелым шагом», — говорит Манчестер. Чтобы деформировать отражатель, FAST имеет 2225 приводов, по сути, высокотехнологичные лебедки, закрепленные в скале под тарелкой. Приводы вытягивают тарелку в параболу, натягивая соединительные кабели, подсоединенные к опорной сетке тарелки. Естественная упругость сетки восстанавливает сферическую форму тарелки, когда приводы ослабляют натяжение. Лазеры, установленные на небольших стойках, выступающих через тарелку, проверяют координаты 1000 точек на ее поверхности, позволяя точно настраивать форму.
Чтобы заставить эту систему работать, инженеры решили множество задач. Для начала, приводы излучают радиопомехи, которые «во много раз сильнее, чем сигнал с неба», — говорит Нан. Подходящей коммерчески доступной защиты не было, поэтому они разработали свою собственную.
Еще одна проблема была обнаружена во время окончательного рассмотрения проекта перед строительством, когда инженеры запоздало поняли, что многократное напряжение и ослабление обычных стальных тросов может привести к усталостному разрушению — явление, знакомое любому, кто гнул скрепку взад и вперед, пока она не сломается. Команда FAST решила эту проблему, обратившись к разработанному в Китае кабелю, который устойчив к усталости до 2 миллионов циклов напряжения, что намного больше, чем 300 000 циклов, которые будут выдерживать кабели FAST в течение 30-летнего расчетного срока службы телескопа.
В январе, когда большинство из 4450 треугольных отражающих панелей тарелки были на месте, но ни один из ее приемников не был доступен, Нэн приказал своей команде установить нечто, напоминающее веретенообразную телевизионную антенну из рыбьей кости, и подвесить ее над тарелкой. В качестве радиоприемников он был примитивным, но огромная площадь сбора FAST позволяла ему принимать сигналы от Крабовидного Пульсара, источника радиосигнала в сердце Крабовидной туманности. «Было удивительно, что они могли сделать это с помощью простой антенны», — говорит Хоббс из CSIRO.
Для Нан испытание было первым светом FAST, первым научным наблюдением, которое знаменует начало срока службы телескопа. Сосредоточив внимание на Крабовидной туманности, Нан превратил одно из самых ранних астрономических наблюдений Китая в одно из его последних: тысячелетие назад наблюдатели династии Сун заметили временную «приглашенную звезду», позже названную сверхновой, которая создала туманность.
Но когда конструкция тарелки вышла на финишную прямую, возник еще один сбой. «Приводы выходят из строя с большей скоростью, чем ожидалось», — говорит Ли. Команда расследует причину и возможные исправления.
Заставить большие телескопы работать на полную мощность всегда непросто, говорит Джон Форд, ранее отвечавший за электронику в обсерватории Грин-Бэнк NRAO в Западной Вирджинии. На 100-метровой управляемой тарелке Грин-Бэнка приводы, используемые для противодействия гравитационным эффектам, «отказывали нам гораздо больше, чем мы думали», — говорит он, потому что вода просачивалась и замерзала. Гидроизоляция приводов была головной болью, потому что они находятся на высоте 100 метров в воздухе. БЫСТРЫМ инженерам должно быть легче, потому что их приводы доступны с земли, говорит Форд.
На данный момент Ли говорит, что БЫСТРЫЕ операторы будут использовать свои рабочие приводы, чтобы удерживать часть отражателя в параболе, направлять его в небо и просто улавливать любые сигналы, которые они могут, когда Земля вращается. Потребуется 200 дней таких наблюдений за дрейфом, чтобы обследовать все северное небо, и он ожидает, что они обнаружат до 1000 пульсаров, добавив их к примерно 2500, известным в настоящее время. Астрономы используют эти радиомаяки, питаемые вращающимися нейтронными звездами, для изучения межзвездной среды и обнаружения гравитационных волн. «Мы проведем лучшее в мире исследование пульсаров», — говорит Ли.
«В конце концов мы добьемся, чтобы телескоп работал идеально», — клянется Чжу Мин, астроном БЫСТРОГО проекта. Манчестер соглашается: «Они очень близки к достижению совершенно замечательного подвига».
https://www.sciencemag.org/news/2016/09/world-s-largest-radio-telescope-will-search-dark-matter-listen-aliens
Загрузка...
