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跋山涉水去聆听宇宙“天籁”之声

来源:光明网2019-09-21 18:20
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  在宇宙中有这样一种物质,看不见摸不到,却占了宇宙总密度的70%,它就是暗能量。在地球上有这样一个地方,海拔高气温低,但射电干扰少,它是“天籁项目”射电望远镜阵列所在地,观测暗能量的好地方。为了能够找到这个地方,科学家们跋山涉水,却从未放弃,让我们跟随他们的步伐,看看选址过程中那些“秘密”吧。

  天文观测离不开好的站址,光学观测希望选取晴夜数多、光污染少、视宁度高的站址,而射电观测则希望选取电磁干扰少的站址。但是,随着时间的推移,经济的发展,城市光污染、电磁干扰变强,已有的站址观测条件往往会逐渐变差,需要寻找新的站址。在学生时代,我就听到过很多北京天文台前辈们选址的故事。很荣幸我能参与天籁项目(暗能量射电探测望远镜)的选址工作。

  天籁计划的主要科学目标是研制一个射电望远镜阵列,通过探测中性氢信号来探测占宇宙总密度70%的暗能量。相对于银河系的前景噪声,中性氢信号十分微弱,且处于射电低频,人工辐射源多,容易受到干扰,国内现有的一些天文站点建设较早,现在已难以满足使用要求,需要选取新的站址。

  选址的要求和标准主要有:(1)射电干扰少,电磁环境优良;(2)最终的天籁阵列预计是一个边长约120米的正方形,初期阶段的实验阵约45米见方,因此阵列站址的平整地至少要能够达到120m*120m,以便于安装望远镜阵列设备,当然最好再大一些。同时,四周最好有山脉当屏障,可以屏蔽部分远处传来的人工干扰电波;(3)在电力供应、交通方面便利;(4)所选站点极端天气较少,且远离地震带和矿带;(5)综合考虑当地的情况,希望在短期内站址附近工业、经济、人口等不会发生大的变化。

  根据这些基本原则,天籁项目组前后用了四年的时间,跋山涉水、昼夜兼程,踏访了北京(密云)、内蒙、陕西、吉林、贵州、青海、新疆、西藏等地区遴选出的200余个站点,进行了初选电磁环境测试,并有重点地对一些站点进行了综合调查,最终选定了新疆哈密市巴里坤县大红柳峡乡乡政府东南约6公里处的山里 (东经91°48′20.18″,北纬 44°09′08.44″)。

  图1. 天籁选址图,图中红点都是测试过的候选点(有些站点,例如贵州FAST站址附近地形起伏,在很近范围内实际有几十个站址)

  那么,天籁站址究竟是怎么选出来的呢?我们首先借鉴国内其它天文单位选址成果,考虑已有天文台附近的区域。对某一地区,首先通过分析遥感资料(谷歌地图和卫星照片),筛查遴选一批该地区人烟比较稀少、地形较合适的候选站址,并标注经纬度和路线。然后,由课题组成员携带一套电磁环境监测仪器,包括宽频的盘锥天线、放大器、频谱仪等,到候选站点进行实地观测和电磁环境测量。这套仪器可以拆卸成部件,便于携带,到站点后用很短时间就可以组装起来,对所在地的电磁频谱进行测量。

  除了我所在的国家天文台宇宙暗物质暗能量研究团组的老师和同学外,还有一些合作单位(如杭州电子科技大学、新疆天文台、内蒙古大学、内蒙古师范大学等)也参与了选址。针对天籁的科学目标,在初步考察中我们一般先快速地测量400MHz-1400GHz之间的人工干扰情况,如果该候选站址电磁环境较好,再扩大频谱范围并用一定时间开展连续监测。

  图2. 天籁项目组研发的选址频谱监测设备

  考虑到中国天眼FAST建在贵州平塘,那里也是我们最初就开始考虑并走访的站址之一。FAST团组的朱博勤研究员是遥感出身,参与过FAST选址,非常有经验。2011年4月,由朱博勤老师带队,我和天籁项目负责人陈学雷研究员,杭州电子科技大学的陈志平老师一起来到贵州。

  贵州选址很消耗体力,因为那里地无三分平,很多候选站址是四面环山的窝凼,没有通行道路,需要步行。这种地形可以屏蔽干扰,但窝凼山势陡峭,我们背着仪器爬过山顶,再下到窝凼底部,做完试验以后再原路返回。窝凼一般没有路,偶尔有些羊肠小道,但也是荆棘丛生。有时需要雇佣向导,拿着砍刀在前面开路,有了这番体验,才知道FAST当初选址团组的艰辛。

  贵州地区山势陡峭,缺乏车辆可通行的道路,这对于天籁实验是个很大的困难,因此,此后我们把目光转向了西北地区。

  图3.2011年4月贵州选址

  我曾前往青海德令哈进行了为期两个星期的选址,国家天文台邓李才研究员亲自陪我进行了第一个星期的站点测试。9月份的德令哈骄阳似火,背着试验仪器在海拔3300米以上的高原上行走是很消耗体力的,多亏大家帮我分担了不少仪器的重量。青海德令哈地区的电磁环境优良,且各遴选站点都在山谷区域。此外,陈学雷研究员和李毅超同学又进行了西藏阿里地区的选址,也找到了电磁条件很好的站址。但青海、西藏的各站址海拔都比较高,要建设站址和维持运行困难比较大。

  我们首次前往新疆选址是2011年春节前的一个星期,我和陈学雷研究员一起前往。新疆天文台的王维侠老师此前曾对新疆地区做过很广泛的调研,我们根据他的建议走访了五六个站点。

  记得当时正值寒冬,我们驱车六个小时来到了木垒县大石头乡的一处候选站址。站址离公路还有几公里远,因为下面的牧道被厚达80公分的积雪覆盖住了,只得将车停在公路上,徒步前行,迎着风吹雪,我们在雪地里来回穿梭了三个多小时才完成此次调查。次日,我们又去巴里坤红柳峡的一处站址进行调查,在乡间土路上车陷入了雪中,我们用铲子铲了半天雪也未能奏效,眼看天快黑的时候,终于等来一辆路过的哈萨克牧民的拖拉机,把我们拉出了困境。

  2011年五月下旬,我们再次前往新疆继续选址。此次新疆选址前后共花了15天时间。每天要外出实验,所去之处都是人迹罕至的戈壁或者草原,我们自带一些馕饼子和榨菜作为午餐。在和静县乌拉斯台附近一处海拔3500米的站点,我们遇到了冰雹和大雨。

  当我们终于徒步到达遴选点开始电磁环境测量的时候,突降暴雪,温度突然降低了二十多度,虽然坚持做完了测试,但回程的路上“麻烦”还是来了。返回的路上经过一处河滩,我背着仪器,因石头太滑,摔进了河里。同行的吴锋泉博士也扭伤了脚,新疆天文台的李锐回去就感冒发烧了。

  图4. 2011年5月新疆乌拉斯台附近选址突遇暴雪

  总而言之,整个选址过程是十分辛苦的,极端天气、仪器和车辆故障、高原反应、山里迷路等都发生过不少次。但是我们没有因此而放弃任何一个遴选点的测试,因为目标很明确,就是要早日为天籁阵列找到合适的站址,保证整个项目按时完成。另一方面,选址对我个人也是难得的体验,使我增长了见识,认识了很多朋友,也饱览了祖国的大好河山。

  经过一段时间的调查,我们感到新疆地区的地形和条件比较适合我们的望远镜项目,因此进行了多次选址调查。杭州电子科技大学的张巨勇老师和我们组左世凡同学对新疆西北部地区进行了调查;张巨勇和吴锋泉又在新疆东部的巴里坤县红柳峡地区进行了广泛的调查。

  图5. 2012年9月青海德令哈选址

  经过对比不同站址的情况和数据,最终,我们选定了新疆巴里坤红柳峡的一处站址,基建工程于2019-09-21动工。但是,这项建设还有不少困难,主要是这里比较偏远,附近只有几个小村,从巴里坤县城到大红柳峡乡距离160公里,需要四个小时的路程,中间有60公里极其难走的土路,稍不小心就容易扎破轮胎,换备胎成了我们必备的技能。最严重的一次是我们一行三辆车进山做定标测量实验以及施工,结果三辆车更换了四个轮胎。经过大家的努力,终于在 2014年底完成基建,2015年完成了电子设备安装。

  大红柳峡乡海拔1500米,冬季温度经常低于零下15度。为了天籁项目阵列能够早日建成,按时完成项目,项目组所有成员在大红柳峡坚持工作。我们一起和施工师傅抡起斧镐挖沟、组装光缆、一起在山里搭起火炉为水泥基础取暖。这样艰苦的条件,也造就了像组里吴锋泉副研究员、孙士杰助理工程师、李吉夏同学等全能型人才,修车、电焊、切割、电子线路、喷油漆等样样精通。

  图6.吴锋泉冒雪检修线路

  图7. 2015年1月铲雪进山搭建线路

  图8.吴锋泉冒着严寒在测量馈源位置

  如今,天籁实验阵列已经建成。试验阵列包含三组南北长40米,东西宽15米的抛物柱面天线和十六面口径为6米的碟形天线。天籁正张开双耳,接收来自宇宙的声音,目前观测数据已接近400TB,初期的科学成果将于近期相继发表。

  图9. 已建成的天籁试验阵列

  作者:王有刚,2006年毕业于北京大学天文系,现为国家天文台研究员。主要研究方向为宇宙中的中性氢、宇宙大尺度结构、星系动力学,在“天籁”项目中负责选址和建站事项。

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