Der sechste Jahrestag von „China Sky Eye“! Welche Leistungen sind mit diesem einzigartigen sphärischen Radioteleskop möglich?

Am 25. September 2016 wurde das Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST), bekannt als „China Sky Eye“, fertiggestellt und in Betrieb genommen. Bis Juli dieses Jahres hat Chinas Sky Eye mehr als 660 neue Pulsare entdeckt. Anlässlich des sechsten Jahrestages des „China Sky Eye“ folgen wir FASTs Chefingenieur Jiang Peng, um mehr über die ursprüngliche Absicht hinter dem Bau von FAST, die bisherigen wissenschaftlichen Forschungsergebnisse von FAST und die Zukunftsaussichten von FAST zu erfahren.

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Was ist FAST-Beobachtung?

FAST ist ein Radioteleskop, das den Weltraum im Radioband beobachten wird. Die Entdeckung des Radiowellenbandes war ein rein zufälliges Ereignis. Die Forschung im Bereich der Radioastronomie hat uns vier sehr wichtige neue Entdeckungen ermöglicht, nämlich Pulsare, interstellare Moleküle, Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und Quasare. Unter anderem wurde die Beobachtung von Pulsaren mit zwei Nobelpreisen ausgezeichnet, ebenso die Entdeckung von Neutronensternen und Gravitationswellen.

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Was ist die „treibende Kraft“ hinter der Geburt von FAST?

Um immer detailliertere astronomische Daten zu erhalten, benötigen wir ein Teleskop mit einer größeren Empfangsfläche. Dies gilt sowohl für optische Teleskope als auch für Radioteleskope. Ein größerer Empfangsbereich bedeutet eine stärkere Erkennung dunkler und schwacher Signale, wodurch die Anzahl der Beobachtungsproben erweitert, die Wahrscheinlichkeit erhöht werden kann, seltsame astronomische Phänomene zu entdecken und gleichzeitig weiter entfernte astronomische Phänomene zu erkennen. Im Allgemeinen stellen die weiter entfernten astronomischen Phänomene frühere astronomische Phänomene dar. Beispielsweise haben wir die Sonne vor 8 Minuten gesehen, wir haben den Rand der Milchstraße vor Hunderttausenden oder Hunderttausenden von Jahren gesehen und wir haben die nahegelegene Galaxie M31 vor Zehntausenden von Jahren gesehen. Die Quasare, die wir gesehen haben, könnten über 10 Milliarden Jahre alt sein. Was sollten wir also tun, wenn wir frühere kosmische Phänomene sehen möchten? Dann können wir nur noch weiter nach vorne schauen.

Deshalb werden uns größere Teleskope bei der Erforschung der Geschichte des Universums eine große Hilfe sein, und der Bau von Teleskopen mit größerer Apertur ist ein unermüdliches Ziel der Wissenschaftler. Das war in der Vergangenheit so, das ist jetzt so und das wird auch in Zukunft so sein. Die treibende Kraft hinter dem Bau von FAST besteht darin , weiter blicken und die Geschichte des Universums weiter zurückverfolgen zu können.

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Was sind die Merkmale von FAST?

Als sphärisches Teleskop unterscheidet sich FAST von herkömmlichen Teleskopen. Herkömmliche Teleskope verwenden alle Parabolantennen. Durch Platzierung des Empfängers im Brennpunkt der Parabel können Signale gesammelt werden. Was ist also der Unterschied zwischen einer Kugel und einer Parabel? Wie weit werden sie voneinander entfernt sein? Dies ist ein Problem, über das viele Menschen noch nie nachgedacht haben. In den 1990er Jahren berechneten der chinesische Astronom Nan Rendong und seine Kollegen, dass die Abweichung zwischen einer 300-Meter-Parabel und einer Kugeloberfläche nur 0,47 Meter oder etwa 1,5 ‰ beträgt, sofern das entsprechende Schnittverhältnis gewählt wird. Dies hat viele Leute überrascht. Diese Abweichung von 0,47 Metern wurde zum Grundstein für die Gründung von FAST.

Mit diesem Konzept können wir zunächst eine Referenzkugel bauen, dann die Form der reflektierenden Oberfläche (0,47 Meter) leicht ändern und dann auf dieser Kugel eine 300-Meter-Parabel bilden. Wenn wir verschiedene Bereiche des Himmels beobachten, müssen wir lediglich an verschiedenen Positionen Paraboloide bilden. Das verbleibende Problem besteht darin, den Empfänger mit der richtigen Ausrichtung an der Kreuzungsposition zu platzieren.

Obwohl das Konzept einfach ist, dauerte es etwa zehn Jahre, bis es perfekt war. Wie verformt sich diese Parabel? Welcher Träger wird zur Verformung verwendet? Wie wird der Empfänger zum Schnittpunkt gesteuert? Dies ist etwas, das wir noch erforschen. Das FAST-System schließlich funktioniert folgendermaßen: An einem Ringbalken mit 500 Metern Durchmesser hängt ein aus knapp 10.000 Stahlseilen bestehendes Seilnetz. Dieses Kabelnetz verfügt über mehr als 2.000 Hauptkabelpunkte. Jeder Hauptkabelknoten ist mit einem Steuerkabel ausgestattet, das mit dem Stellantrieb am Boden verbunden ist. Wissenschaftler können die Form der reflektierenden Oberfläche durch Aktuatorsteuerung ändern und in ihrem lokalen Bereich eine 300 Meter lange Parabel bilden. Es wird von 6 Lassos angetrieben, die eine 30 Tonnen schwere Zufuhrkabine steuern. In der Kabine ist ein Empfänger installiert, der sie zur Kreuzungsposition steuert. Gleichzeitig wurden 20 Totalstationen aufgestellt, um die Form der reflektierenden Oberfläche sowie die Position und Ausrichtung des Empfängers zu messen und so die Kontrolle über die Ausrichtung des Empfängers zu gewährleisten. Schließlich entstand das äußerst komplexe Teleskopsystem FAST.

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Wie groß ist FAST?

Wir alle wissen, dass die Öffnung von FAST 500 Meter beträgt. Wie groß ist sie also genau? Wie können wir das Konzept des „500-Meter-Kalibers“ für Leute quantifizieren, die FAST nicht persönlich gesehen haben? Ein Kollege schlug diese Aussage vor: Wir können uns FAST als einen mit Wasser gefüllten Topf vorstellen. Jeder der 7 Milliarden Menschen auf der Welt kann aus diesem Topf 4 Flaschen Mineralwasser bekommen.

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Welche Schwierigkeiten gibt es beim Aufbau von FAST?

Wenn sich quantitative Änderungen bis zu einem bestimmten Grad anhäufen, führen sie zu qualitativen Änderungen und auch die damit verbundenen technischen Schwierigkeiten sind äußerst groß. Der Aufbau des Kabelnetzes von FAST ist eine Schwierigkeit.

Das zur Unterstützung der Kugeloberfläche verwendete Kabelnetz ist ein verformbarer Träger, genau wie ein Ballon, und das „Kabel“ muss als Gummiband oder Feder verwendet werden. Während ein Gummiband auf das Ein- oder sogar Dreifache seiner ursprünglichen Länge gedehnt werden kann, beträgt die maximale Verformung eines Stahlkabels nur 3 bis 4 ‰, was ein sehr geringer Wert ist.

Ein Teil der Parabel von FAST liegt unterhalb der Kugeloberfläche und ein Teil darüber. Das heißt, das Seilnetz, das die Parabel verbindet, muss nach unten gezogen und nach oben gelockert werden. Die elastische Verformung des Stahlseils beträgt jedoch nur 3‰-4‰. Es kann nicht brechen, wenn es nach unten gezogen wird, und es kann nicht losgezogen werden, wenn es nach oben gelöst wird. Wir müssen beide Funktionen des „Herunterziehens“ und des „Herauflösens“ innerhalb des Deformationsbereichs von 4‰ realisieren, und zwar genau richtig, sodass auf beiden Seiten nur sehr wenig Spielraum bleibt.

Darüber hinaus ist auch die Verarbeitungsgenauigkeit des Stahlkabels sehr wichtig. Geht man davon aus, dass jeder Index einen Millimeter länger ist, lässt sich das Kabel am Ende nicht mehr lösen. Darüber hinaus führen Temperaturschwankungen auch zu einer Aufzehrung eines Teils der elastischen Verformung, sodass die Verarbeitungsgenauigkeit der gesamten Kabelstruktur extrem hoch ist und nur ein sehr geringer Spielraum verbleibt. Das gesamte Design ist wie ein Spaziergang auf einer Brücke aus nur einem Brett. Wenn Sie auch nur ein kleines bisschen davon abweichen, wird das Projekt scheitern.

Um außerdem sicherzustellen, dass es keine Störungen durch andere Funksignale gibt, befindet sich FAST in einer abgelegenen Bergregion in Guizhou. Viele große Geräte können nicht auf die Baustelle gebracht werden, daher werden viele Bauarbeiten manuell ausgeführt. Dazu gehören ein über 170 Meter hoher Turm, 38 Meter tiefe Bohrpfähle und fast 10.000 Stahlkabel, die alle in der Luft montiert werden. Dies ist ein Großprojekt, das mit der Weisheit unserer Arbeiter und ausgeklügelten Baumethoden fertiggestellt wurde.

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Welche Schwierigkeiten gibt es beim Debuggen von FAST?

Das FAST-System unterscheidet sich von herkömmlichen Teleskopen. Die Parabel eines herkömmlichen Teleskops und des Empfängers am Schnittpunkt stimmen natürlich überein, unabhängig davon, in welche Richtung sie zeigen. Bei FAST besteht die reflektierende Oberfläche jedoch aus einem 500 Meter langen Kabelnetz, einem komplexen Kabelnetzsystem aus fast 10.000 Stahlkabeln, über dem sich eine 600 Meter lange, kabelgetriebene Struktur befindet und außerhalb eine über 30 Tonnen schwere Zuführkabine. Diese beiden Systeme sind völlig unabhängig und beide sind flexible Steuerungssysteme, die eine Positionierungsgenauigkeit im Millimeterbereich auf Kilometerebene erreichen können. Dies ist etwas, was wir in herkömmlichen Industriestadien nie erlebt haben. Bei herkömmlicher technischer Präzision hat ein Unterschied von 1 Meter auf 500 Meter weder optische noch sicherheitsrelevante Auswirkungen. Bei FAST verringert jedoch ein Fehler von wenigen Millimetern die Antenneneffizienz.

Darüber hinaus wird FAST in der regnerischen und nebligen Umgebung der Provinz Guizhou betrieben und alle Messungen und Kontrollen müssen rund um die Uhr durchgeführt werden. Dies führt dazu, dass eine Vielzahl optischer Messexperimente nicht rund um die Uhr nutzbar sind und alles neu überdacht werden muss. Um die Allwetterbetriebsfähigkeit von FAST sicherzustellen, haben wir schließlich die integrierte Messtechnologie eines Satellitenpositionierungsmesssystems, einer Trägheitsnavigation und einer Laser-Totalstation übernommen. Obwohl die Laser-Totalstation bei Regen und Nebel grundsätzlich nicht funktioniert, können Satellitennavigation und Trägheitsnavigation dennoch die Allwetter-Betriebsfähigkeit von FAST gewährleisten.

Dieses System kombiniert einerseits verschiedene Messmethoden, um komplementäre Vorteile zu erzielen; Andererseits verbessert es auch die Genauigkeit und, was noch wichtiger ist, die Wetterbeständigkeit von FAST. Später wurde anstelle der Laser-Totalstation auch ein Mikrowellen-Entfernungsmesser eingesetzt. Darüber hinaus verwenden wir GPS häufig „umgekehrt“, indem wir die Basisstation wie einen Satelliten am Himmel behandeln und ihn auf die Futterkabine zurückstrahlen. Auf diese Weise erreichen wir das Ziel einer hohen Präzision rund um die Uhr.

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Was hat FAST erreicht?

Von 1937 bis heute wurden fast 90 Jahre lang Radioteleskope entwickelt. Unser „China Sky Eye“ hat in der Geschichte der Entwicklung kosmischer Teleskope bedeutende Spuren hinterlassen. Zum ersten Mal standen wir auf höchster Ebene und der Vorsprung war nicht nur minimal, sondern in der Genauigkeit mindestens 2,5 bis 3 Mal höher.

Die Empfindlichkeit von FAST, die Allwetter-Betriebsfähigkeit und die mehr als 6.000 Beobachtungsstunden pro Jahr übertrafen anfangs unsere Vorstellungskraft.

FAST ist nicht nur ein Radioteleskop mit hervorragender Leistung, sondern auch ein sehr einfach zu bedienendes Radioteleskop. Bis heute haben Wissenschaftler mit FAST mehr als 660 Pulsare entdeckt. Das ist mehr als das Fünffache der Gesamtzahl der Pulsare, die im gleichen Zeitraum von allen Radioteleskopen der Welt entdeckt wurden. Gleichzeitig hat FAST den Wissenschaftlern während seiner zweijährigen Betriebszeit auch dabei geholfen, einige wichtige wissenschaftliche Ergebnisse zu erzielen, darunter fünf in Nature und ein in Science veröffentlichtes Papier. Einige dieser wissenschaftlichen Ergebnisse wurden von Nature zu den zehn größten Durchbrüchen und Entdeckungen des Jahres 2021 gewählt. Darüber hinaus wurden die Erfolge von FAST auch in die zehn größten wissenschaftlichen Fortschritte aufgenommen, die von den Akademikern der beiden chinesischen Akademien im Jahr 2021 ausgewählt wurden.

Die interessanteste dieser wissenschaftlichen Errungenschaften ist der schnelle Radioblitz, ein neues astronomisches Phänomen, das 2007 entdeckt wurde. Bei schnellen Radioblitzen handelt es sich um ein Phänomen, bei dem die Energie der Sonne, die mehrere Tage oder sogar ein ganzes Jahr andauert, in wenigen Tausendstelsekunden freigesetzt wird. Die Wissenschaftler waren neugierig auf die Quelle der schnellen Radioblitze, konnten diese jedoch erst eindeutig nachweisen, als das ultrahochempfindliche FAST die Änderung des Ablenkwinkels elektromagnetischer Wellen deutlich maß. Dies bedeutet, dass die Magnetosphärenstruktur bei dieser Art von Himmelskörpern eine sehr wichtige Rolle spielt und im Grunde voraussagt, dass es sich um einen weit entfernten Magnetar handelt.

FAST kann nicht nur in der wissenschaftlichen Forschung, sondern auch in praktischen Anwendungen eingesetzt werden. Wenn FAST beispielsweise mit einem aktiven Radar kombiniert wird, ist es möglich, millimetergroße Objekte in einer Umlaufbahn von tausend Kilometern zu erkennen, d. h. Objekte innerhalb von 50 mm in der geosynchronen Umlaufbahn zu beobachten. Sie sollten wissen, dass alle aktuellen Weltraumstartmissionen auf Trümmerflussmodellen beruhen und Trümmern aus dem Weg gehen sowie ein angemessenes Startfenster finden müssen. Bisherige Flussmodelle verwendeten jedoch alle Fremdmodelle, mit FAST können wir jedoch ein vollständig unabhängiges und steuerbares Flussmodell erstellen.

Darüber hinaus kann uns FAST auch bei der Frühwarnung vor erdnahen Objekten helfen. So flog beispielsweise im Jahr 2019 ein Asteroid in einem Sechstel der Entfernung zwischen Erde und Mond an uns vorbei. Der Grund, warum Menschen ihn nicht entdeckten, lag darin, dass er aus der Richtung der Sonne kam und das starke Sonnenlicht es uns unmöglich machte, den Asteroiden mit einem optischen Teleskop deutlich zu beobachten. Wird es jedoch im Radiowellenbereich beobachtet, kann es möglicherweise früher erkannt werden, sodass es in Zukunft eine wichtige strategische Unterstützung für die Abwehr erdnaher Objekte darstellen wird.

FAST wird uns in Zukunft unzählige neue Ideen bescheren. Wenn Sie beispielsweise ein Startgerät zu FAST hinzufügen, kann es noch interessantere Dinge tun. Freuen wir uns darauf, dass uns das „China Sky Eye“ noch mehr Neues bringt.

Abschließend möchten wir den Erbauern des „China Sky Eye“ unseren Tribut zollen!

Dieser Artikel basiert auf der Rede des FAST-Chefingenieurs Jiang Peng beim Star Forum