2021年04月13日 星期二
探索天文,他们的征途是星辰大海
第31版:天眼 世界“巨眼” 2021-04-05

探索天文,他们的征途是星辰大海

应琛

激光测距望远镜。

VLBI 测轨分系统的示意图。

“天问一号” 任务VLBI 分系统天马站参试人员。

中科院上海天文台研制的被动型星载氢原子钟,1000 万年才误差1 秒。

天马望远镜(65 米射电望远镜)。

经过近两年的深入研究,科学家对人类首次“看见” 的那个黑洞,成功绘制出偏振图像。北京时间3 月24 日22 时,包括中国在内的多国科学家合作的相关研究论文,发表在国际权威期刊《天体物理学杂志通讯》。

记者|应 琛

宇宙还人类以新知,并以更多未知引领人类遥望未来,即将迈入第一个甲子之年的上海天文台也将继续在浩瀚星海中乘风破浪。

作为我国历史最悠久的天文台,中国科学院上海天文台成立于1962 年,其前身是1872 年建立的徐家汇天文台与1900 年建立的佘山天文台。叩问2020 年的宇宙苍穹,阵阵回响唤起惊奇与敬畏无数。其中不少成果与上海天文台有关——

其牵头的中国甚长基线干涉测量(VLBI)网与现有航天测控网,承担了“天问一号” 火星探测器与“嫦娥五号” 探测器各飞行段的测定轨及定位任务,为国家重大任务做出了重要贡献;积极承担北斗三号信息处理系统、激光测距分系统和时间频率系统等研制工作,交付的16 台组网卫星星载氢钟运行状态稳定良好,为北斗导航卫星系统运行提供了保障……

在探索宇宙和推进重大国际合作方面,依托上海天文台建设的中国空间站工程巡天望远镜长三角地区科学中心已正式启动;顺利完成科技部SKA 科学专项“宇宙黎明和再电离探测”方向的立项,完成了中国SKA 区域中心原型机升级改造;与美国NASA 续签空间大地测量合作协议。

“天文学作为最古老的学科,是一个需要长期积累的学科。从某种意义上来说,它没有终极答案,很多问题的答案都值得天文工作者穷尽一生去追求和探索。” 中国科学院上海天文台台长沈志强在接受《新民周刊》采访时表示,宇宙还人类以新知,并以更多未知引领人类遥望未来,即将迈入第一个甲子之年的上海天文台也将继续在浩瀚星海中乘风破浪。

从“探月” 到“奔火”

上海天文台前台长洪晓瑜研究员,从“嫦娥一号” 开始就与月球结下了不解之缘。

月球远在38 万公里之外,当探测器发射后进入深空,飞到哪里,飞行路线是否合乎预定轨道,中途是否需做调整,这些关键信息都非常重要。在整个测控系统中,上海天文台牵头的中国VLBI 网与现有航天测控网一起进行精密测定轨道,为探测器保驾护航。

洪晓瑜告诉记者,测量卫星轨道有两大要素:一是距离,二是方向。他们主要承担后者的测量工作,提供卫星在飞行过程中精密的方位角信息,协助测控系统进行轨道测量和确定。

所谓VLBI,是一项高精度测角技术,在月球与深空探测器快速、高精度定轨和定位方面,有着不可或缺的重要作用。我国的VLBI 测轨分系统由北京站、上海站、昆明站和乌鲁木齐站以及位于上海天文台的VLBI 数据处理中心组成。这样一个网所构成的望远镜分辨率相当于口径为3000 多千米的巨大的综合口径射电望远镜,测角精度可以达到百分之几角秒。

回顾VLBI 技术在探月工程的应用,十七年的艰辛过程历历在目。洪晓瑜坦言,VLBI 测轨分系统开始承担探月工程任务时,遇到很多困难:一是要克服天文观测设备老旧和不稳定的特点,要严格按照航天工程的要求,提高设备运行的可靠性和稳定性;二要发展适应我国探月工程的VLBI 测轨新技术和新方法,满足测量精度指标要求;三是要解决数据实时传输和计算的要求。

以“嫦娥二号” 发射升空期间为例,洪晓瑜和VLBI 中心内的科研人员一起坚守在操作台。40 多名科研人员分两班倒,差不多每天凌晨3 点半就进场准备并展开卫星观测,然后将观测数据进行处理,提供卫星轨道的数据。每天傍晚,中心的指挥负责人员还要开会总结当天工作,布置第二天的任务。而且,一旦北京中心作出调整安排,上海方面必须随时跟进……

而在嫦娥五号的任务中,VLBI 团队在动态双目标同波束VLBI 技术方面获得重大突破,成功支持了月面降落、我国首次月面起飞、世界首次月球轨道无人交会对接、样品月地返回等复杂、关键、高难度测控任务,并发挥了不可替代的作用。

“目前我们还在支持我国首次火星探测任务‘天问一号’测轨工作。” 洪晓瑜表示。2 月10 日晚,“天问一号” 成功实施“制动捕获”,随后顺利进入大椭圆环火轨道。在这个过程中,VLBI 测轨分系统始终全力护航。

相对探月工程来说,“天问一号” 飞得特别远,任务执行起来有不同的感觉,“比如,嫦娥探测器变轨的时候,信号我们一直能看到,但( 天问一号) 火星探测器变轨后,一段时间内我们是看不到信号的,因为太远了,且有时候( 探测器) 飞到火星背面,隐约会有种滞后的感觉”。

为了满足“天问一号” 的测定轨要求,VLBI 测轨分系统团队完成了40 多台套软件和硬件的研发、测试和现场安装;成立了90 多人的试验队,持续开展了火星探测VLBI 高精度测定轨技术研究和测试验证。到目前为止,VLBI 测轨分系统任务执行情况顺利,VLBI 的测量精度及执行任务的能力大幅提高。

洪晓瑜透露,2 月是“天问一号” 集中测控的重要弧段,有中途修正,轨道机动和三次火星捕获。在这次集中测轨期间,VLBI 测轨分系统需要每天观测,上海天文台90 多名试验队员全都放弃了春节休假,坚守岗位。

从“探月” 到“奔火”,可以说,射电天文这一基础科学领域的长期积累在国家重大工程中的突出贡献已经得到了高度认可。洪晓瑜也期待着在探月四期,以及深空探测的后续任务中,能进一步提升射电天文观测技术,为探索宇宙空间做出新贡献。

记者从上海天文台了解到,为满足探月四期和深空探测的VLBI 测轨任务需求,探月四期规划在西藏日喀则和吉林长白山各建一台40 米口径射电望远镜的VLBI 测站,与现有的四台站(分别布局在上海、北京、昆明和乌鲁木齐)组网实现对两个空间目标的同时高精度跟踪测量,更好地完成后续工程项目的VLBI 测定轨任务。

沈志强表示,作为VLBI 测轨分系统的牵头单位,上海天文台将负责两个新台站的建设,并将结合天文观测需求,综合规划,发展我国VLBI 网,按时完成工程建设任务,使我国的VLBI 测定轨和天文高分辨率观测都更上一层楼,不断探索宇宙奥秘。

服务国家重大战略

如今,VLBI 在探月工程和火星探测中已经大显身手。但回想起在探月工程规划以前,沈志强坦言,VLBI 是深藏闺中不为外界所知,“上世纪70 年代初,当中国科学院院士、著名天文学家、老台长叶叔华提出要建设中国VLBI 网时,这项技术其实并不被看好”。

原来即便是涉足这一领域最早的美国和加拿大,其理论和技术当时也都处于起步摸索阶段;再者,建成VLBI 网络至少需要在国内选址建造两台直径至少25 米的射电望远镜,这需要巨大的经费支撑,对于那时的中国,也可谓难上加难。

沈志强说,正是叶先生不懈的努力和战略的眼光,让上海天文台和中国天文界,迅速赶上了上世纪八九十年代国际天文从经典观测转向现代观测的潮流。

而亚洲第一的射电望远镜——天马望远镜(上海65 米射电望远镜)的建成,也是上海天文台抓住了机会。

作为该项目首席科学家,沈志强告诉记者,65 米口径射电望远镜的建成,标志着我国深空探测定轨能力进入了一个更高层次,显著提升了我国天文观测研究的整体实力和国际地位。

2012 年建成后,天马望远镜圆满完成了嫦娥三号以及此后的探月工程卫星的测轨任务。同时,它在射电天文、地球动力学和空间科学等多种学科中也成为我国乃至世界上一台主干观测设备。

在沈志强看来,VLBI 的加入大幅提高了月球探测器测定轨测定位能力,对我国的月球和深空探测工程具有深远的影响。而我国VLBI 本身也在探月工程的支持下,得到了空前的壮大与发展,反过来又促进了射电天文的迅猛发展。

2009 年,北斗三号工程正式启动建设。经过一系列的技术升级,北斗三号相较于北斗二号在信号质量、卫星广播轨道和钟差精度、电离层模型改正精度以及定位精度都有了大幅的提升。在去年北斗三号最后一颗卫星入网工作中,上海天文台北斗团队继续在“最强大脑”“强心脏” 和“量天尺” 三个方面为北斗保驾护航。

中国科学院上海天文台天文地球动力学研究中心主任胡小工告诉《新民周刊》记者,时间和空间位置信息,都是一个国家重要的战略资源。要实现分米级、厘米级的导航定位精度,北斗卫星必须有一颗强劲而靠谱的“心脏”——星载原子钟,同时还要有一个敏锐清醒的“大脑”——信息处理系统。

2002 年,上海天文台在多年研制地面主动型氢原子钟的基础上,启动了被动型星载氢原子钟的研究。2015 年,由他们完成的我国首台星载氢原子钟,随新一代北斗导航卫星升空。五年来,跟随北斗卫星上天的氢钟性能不断提升,且已完全实现元器件、原材料、核心技术的自主可控。据介绍,目前,上海天文台的科研人员已研制出更加轻巧的北斗“心脏”:成功将氢钟从23 公斤减重到13 公斤,将用于北斗补网卫星。

有了强劲“心脏” 外,还需“最强大脑”。胡小工表示,为了实现北斗三号精密定位服务性能指标,在区域地面布站等不利条件下,上海天文台团队首次提出并实现了区域监测网+ 星间链路的星地星间联合精密定轨技术,并特别设计了联合定轨数据处理算法的稳健性和容错性。

在这个过程中,胡小工带领团队经历了“从科学家到工程师”的转型。但最终,这套信息处理系统实现了实时修正误差,多备份,能保持高可靠度,空间信号精度优于GPS系统。

此外,为进一步演算北斗精度,上海天文台还研制了一把特制的激光“量天尺”——国内首套可移动式全天时卫星激光测距系统,最远测距可达38800 千米,成功应用于北斗卫星厘米级精度激光测距。

黑洞研究又一个里程碑

为山九仞,岂一日之功。沈志强也深知,上海天文台之所以能够参与诸多国家重大工程的科研工作,离不开深厚的基础研究做支撑,“这背后其实是隐含了很多基础的前沿科学”。

多年来,上海天文台努力为研究人员,尤其是青年人才,创造更好的科研环境。一项项成果不断涌现:提出了磁主导喷流的解析模型;建立了目前最优的活动星系核反馈物理模型;首次解释了活动星系核反馈导致星系团中的富金属外流现象;首次在伽马射线能段发现月级的耀变体准周期振荡光变,揭示了耀变体喷流的螺旋结构;获得更精确的银河系尘埃整体分布尺度;利用65 米射电望远镜发现300 个甲醇脉泽源……

3 月24 日22 点,事件视界望远镜(EHT)合作组织发布了M87 超大质量黑洞的最新照片:它在偏振光下的影像。

为了观测M87 星系的中心,该合作组织将世界各地的八台望远镜连接起来,创建了一个虚拟的类似地球大小的望远镜——EHT。EHT 的分辨本领相当于在地球上看清月面一张信用卡所需的分辨率。来自全球多个组织和大学的300 多名研究人员参与了这项研究。上海天文台牵头组织协调包括8 位台内研究人员在内的国内学者参与了此次的EHT 合作。

2019 年4 月10 日,EHT 团队发布了有史以来第一张黑洞照片,揭示了一个明亮的环状结构及其黑暗的中央区域——黑洞的阴影。当时的照片看上去像一个温暖的橙色“甜甜圈”,而这次的影像则显示出了“甜甜圈” 更为细腻的结构——如同一轮逆时针旋转的烟花。

据了解,这些顺滑流畅的曲线意义重大。EHT 合作组成员之一的沈志强认为,首先它透露了黑洞边缘的光是如何产生的,“我们可以推断出,黑洞周围有相对论性的气体,它们运动速度很快,相对论性电子在磁场里运动会产生同步辐射”,现在观测结果证明它就是来自同步辐射。

而对于研究黑洞的天文学家来说,这项工作是一个重要的里程碑:偏振光所携带的信息能让我们更好地理解2019 年4 月发布的首张黑洞图像背后的物理机制。此次偏振观测的结果还提供了有关黑洞外缘磁场结构的新信息。研究团队发现,只有以强磁化气体为特征的理论模型,才能解释在事件视界看到的情况。

这幅全新的黑洞及其阴影的EHT 偏振图像,使天文学家首次成功探究黑洞外缘区域——在那里,物质可能被吸入或被喷射出来。

此次偏振观测的结果还提供了有关黑洞外缘磁场结构的新信息。研究团队发现,只有以强磁化气体为特征的理论模型,才能解释在事件视界看到的情况。

沈志强表示,根据现在偏振观测结果,黑洞外缘磁场还有很多方面有待研究,天文学家需要更加清晰细致的观测结果。

目前,EHT 正在通过对阵列进行技术升级和增加新的观测台站,来进一步提升分辨本领。未来,EHT 观测能更准确地揭示黑洞周围的磁场结构,并告诉人们更多关于这一区域热气体的物理性质。

除EHT 项目外,还有越来越多的国际科研合作项目正在开展。就如同当年认定不能错失“VLBI” 一样,上海天文台从一开始就特别关注平方公里射电阵(SKA)项目,“中国不能错失‘SKA’”,沈志强说。

所谓“SKA”,是一个总接受面积达平方公里的巨型射电望远镜阵列,由世界各国的数千个较小的射电望远镜组成,每天产生的数据量预计是当下全球互联网总流量的10 倍。宇宙的起源和演化、银河系结构、行星的形成和分布...... 这些待解“谜团” 的“钥匙” 或许就在SKA 里。(本文图片由中国科学院上海天文台提供)

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