一个在日喀则一个在长白山,上海天文台为何建设两台相距3800公里的望远镜

  摘要:更加有力保障探月四期和深空探测任务

  一个在海拔 4100 米的青藏高原,一个在最低气温达到零下 40℃的东北。今天(12 月 27 日),由中国科学院上海天文台建设运行的日喀则和长白山两台 40 米口径射电望远镜落成,启用仪式在上海松江、西藏日喀则、吉林长白山同步举行。

  从此,我国甚长基线干涉测量(VLBI)网由“四站一中心”升级为“六站一中心”,可同时观测 2 个不同天区的月球与深空探测器,不仅能更加有力保障探月四期和深空探测任务,还将成为支撑射电天文研究观测的新利器。

  我国 VLBI 网升级为“六站一中心”。

  两台望远镜相距 3800 公里,为何会选址日喀则和长白山?

  【升级中国 VLBI 网,剑在弦上】

  这还得从 VLBI 技术说起。

  今年 97 岁高龄的中国科学院院士、上海天文台名誉台长叶叔华,正是这一技术在我国发展的重要推手。她在今天的视频致辞中亦难掩“欣慰与喜悦”。

  叶叔华院士视频致辞。黄海华摄

  VLBI 是射电天文学的一个里程碑技术,利用干涉测量,多个望远镜可等效成一台口径更大的望远镜。

  “它能达到迄今所有天文观测手段所能给出的最高分辨率,是哈勃空间望远镜分辨率的数百倍,相当于在地球上能分辨月球上篮球大小的物体。”上海天文台台长沈志强告诉解放日报·上观新闻记者,由于 VLBI 技术的特点,各个望远镜之间的距离(基线)越长,所形成的“虚拟”望远镜“等效口径”越大,分辨率越高。

  上海天文台基于在射电天文领域的深厚积累,牵头中国 VLBI 网圆满完成嫦娥一号到五号以及首个火星探测器“天问一号”的测定轨任务。探月工程首任总设计师孙家栋曾高度评价:“VLBI 技术的加入,使我国探月工程至少提前了五年。”

  随着我国深空探测事业的推进,对于 VLBI 网也提出了更高要求,能否同时观测不同天区的两个目标?一个 VLBI 网的最小组网配置是 3 台望远镜,而我国原有的 VLBI 网只有 4 台望远镜和一个数据处理中心,不足以构建“双子网”。

  于是,再建两台 40 米口径射电望远镜的构想被提上议事日程。VLBI 组网有一个基本要求,东西、南北基线越长越好,因此靠近中国版图边缘的日喀则和长白山,成为一个优先考虑的“组合”。

  日喀则 40 米口径射电望远镜

  日喀则海拔约 4100 米,人迹罕至,电磁波干扰稀少;长白山保持着自然风貌,鲜有灾害性天气。此外,这两个地方多为晴天,空气干燥,特别适合开展高频段观测。就这样,日喀则和长白山被确定为最终站址。

  长白山两台 40 米口径射电望远镜

  【仅用 1 年零 3 个月建成两台望远镜】

  日喀则 40 米口径射电望远镜总工程师王锦清,已记不清自己进藏多少回。从 2018 年起他就参与望远镜选址和建设,每次来都有高原反应。

  望远镜距离日喀则市区约 35 公里,差不多是无人区,非常荒凉。缺水,他们就打了一口 200 米的深井,但需要过滤;没电,他们就从 10 多公里外拉来了电缆;刚去时到处光秃秃,他们就种上植物,多点绿意……

  打井取水。

  同样地,这几年为了望远镜的选址和建设,长白山 40 米口径射电望远镜总工程师李斌差不多每年去 10 次长白山,附近 10 多个林场几乎跑遍了。

  第一次来到马鞍山林场,李斌就喜欢上了它,“这里就是一个大的森林,种植了许多的红松、白桦林……”

  望远镜往东距离天池还有 25 公里,往西距离最近的松江河镇 45 公里,方圆 3 公里没有常住人口,非常适合观测。

  在马鞍山林场附近进行电磁环境测量。

  在探月工程支持下,上海天文台于 2023 年 9 月相继启动了长白山和日喀则 40 米口径射电望远镜建设,这是上海天文台第一次在上海以外的地方建设大型天文观测设施。在日喀则,重点考虑的是高原特性和防风沙及防冻要求;针对长白山的大雪、极寒气候条件,望远镜采用了整体保温设计。

  尽管建设条件异常艰苦,在中国电子科技集团公司第 54 研究所和第 39 研究所通力合作下,仅用 1 年零 3 个月,就完成了两台望远镜的建设,并成功获得 VLBI 干涉条纹。

  【测量精度将从 4 纳秒提升到 3 纳秒】

  从日喀则到长白山相距 3800 公里,这意味着中国 VLBI 网最长基线即“等效口径”,将超过原有从上海到乌鲁木齐之间的 3200 公里。这也意味着,可视天区提高 25%,X波段角分辨率较过去提升 18%。

  中国 VLBI 网的 6 台望远镜将组成“双子网”,同时探测不同天区的“双目标”,测量精度将从过去的 4 纳秒提升到 3 纳秒。

  “长白山望远镜的观测频谱,从 700M 赫兹到 50G 赫兹连续覆盖,观测波段最高还可拓展至 100GHz,这在国际上也比较少见。”李斌告诉解放日报·上观新闻记者。

  长白山 40 米口径射电望远镜。

  长白山 40 米口径射电望远镜更靠近我国版图东侧,相比上海天马望远镜将提前 26 分钟捕获到深空目标。

  日喀则 40 米口径射电望远镜的观测频率是从 1G 赫兹到 100G 赫兹,从低频到高频都能覆盖。这将助力我国在超大质量黑洞、致密天体等前沿领域进行探索。

  日喀则 40 米口径射电望远镜。

  “探测小行星的天问二号将在 2025 年 5 月前后发射,嫦娥七号最快将在 2026 年发射,我们期待升级后的中国 VLBI 网为月球和深空探测,乃至载人登月做出更大贡献。”沈志强说。