在天文探测领域,我国前有“中国天眼”,后有“中国复眼”。虽然从名称上看,我国近期建造的“中国复眼”工程也有个“眼”字,但它与“中国天眼”的原理和建造内容却大相径庭。二者在技术原理和用途上又有什么不同呢?

在天文探测领域,我国前有“中国天眼”,后有“中国复眼”。今天,“‘中国复眼’开建”的话题上了热搜。

对于 “中国天眼”,想必很多小伙伴已经耳熟能详,它是一架建造在贵州黔南布依族苗族自治州境内的500米口径的球面射电望远镜(FAST),于2020年通过国家的验收正式开放运行。随着美国阿雷西博大型射电望远镜的坍塌,我国的“天眼”成为世界上最大的、唯一运行的超级单体射电望远镜,迄今为止已经发现了众多宇宙深空中的脉冲星以及从宇宙深空中发射的若干无线电信号,为我们深入探知宇宙深空的神秘面纱提供了非常珍贵的第一手资料。

“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜

虽然从名称上看,我国近期建造的“中国复眼”工程也有个“眼”字,但它与“中国天眼”的原理和建造内容却大相径庭。

建设中的“中国复眼”天文雷达

据知,“中国复眼”由北京理工大学重庆创新中心发起,该工程总共分三期建设:

第一期计划建造4台直径为16米的高分辨率分布式孔径雷达,目前实际上已经建完2台,正在进行伺服分系统调试,预计今年9月份完成一期全部建设任务。

今年7月8日,北京理工大学重庆创新中心与重庆市云阳县人民政府签署了全面战略合作协议,共同建设“超大分布孔径雷达高分辨率深空域主动观测设施项目”,该项目即为“天国复眼”的第二期工程,建造地点位于重庆的云阳县,工程的主体内容是建设20多部等效口径为100米的高分辨率分布式雷达,能够实现千万公里外的小行星探测和成像。

当二期工程完成以后,我国还将继续完善和深化“中国复眼”观测能力,准备在重庆选址建设第三期工程,即建造“超大分布孔径雷达高分辨率深空域主动观测设施”,工程完工以后,将探测和成像的空间距离,从二期的千万公里级拓展到1.5亿公里。

那么,在已经有全球最大的“天眼”的背景下,我国为什么还要打造“复眼”?二者在技术原理和用途上又有什么不同呢?

“中国复眼”的基本原理

与“中国天眼”第一个不同之处,“中国复眼”不是一座射电望远镜,它的全名叫“超大分布孔径雷达高分辨率深空域主动观测设施项目”,简称“分布式雷达”,顾名思义是由许多雷达天线共同组成的天文观测阵列,这些雷达可以各自工作,也能共同协作探测更远更小的天体。

“中国天眼”是一座巨型射电天文望远镜,它的直径达500米,而“复眼”则由20余座“小型”天文雷达组成,最大的直径只有30米左右,所有天线加起来的等效口径也仅相当于1台100米孔径大天线。

“中国复眼”是一组雷达天线阵列

这跟“中国天眼”比起来简直“弱爆了”。不仅是等效孔径比“天眼”小太多,这个在造的“复眼”还是个“近视眼”,它只能看清楚1.5亿公里(相当于地球到太阳的距离)范围内的东西,更远的就模糊了。相比之下,“中国天眼”却能接收到几十万光年以外的信号!

为什么会是这样?难道是“复眼”不如“天眼”,中国的望远镜越做越差吗?并非如此。公平地讲,“中国复眼”建成后,将是全球最先进的分布式雷达系统,用来观察太阳系内的天体,它比“天眼”要锐利许多。

中国天眼是一台射电望远镜,它只能“看”——通过接收遥远天体发射的电磁波信号,分析这些天体的特征。如果天体不发射电磁波或者发出的电磁波不够强,“天眼”就看不见,所以用它来观测火星就勉为其难,更别说用它来跟踪太阳系里数以亿计的小行星了。

与单纯接收电磁波的射电望远镜不同,雷达可以利用发射机向外发射电磁波信号,就像是暗夜里的探照灯。通过接收从目标反射回来的电磁波,雷达就能发现目标,并且分析出它的形状、表面细节和移动速度。

但是雷达波的能量会随着传输距离的增加而扩散稀释,距离越远,单位面积的信号就越弱。信号能量的强弱与距离的平方成反比,信号从目标反射回来还要经历相同的能量衰减过程,在最理想的状态下,雷达接收到的信号遵循“逆四次幂定律”——“平方反比”再“平方反比”。

平方反比定律

在距离一定的情况下,为了接收到足够清晰的信号,我们需要做到以下几点:

  1. 增加电磁波的发射功率;
  2. 增加接收器反射面的面积;
  3. 提高接收器的灵敏度。

由于制造单体巨型雷达的工程难度极大,科学家们借鉴昆虫“复眼”的原理,用许多台大功率高灵敏度的雷达组成“天线阵列”,利用分布式技术达到一台巨型雷达的效果。

雷达阵列相当于昆虫的复眼

“中国复眼”与“中国天眼”用途差异

“中国天眼”是个“远视眼”,它主要用于接收几千光年以外的恒星、星云和脉冲星发出的信号;“中国复眼”主要用来“看近处”,对几千万公里内可能对地球产生威胁的小行星进行照相,测量其大小和运动轨迹,判断它们可能与地球相遇的时间,好让我们提前准备,避免恐龙灭绝的悲剧再次发生。

分布式天文雷达还可以对像金星、火星、木星这样的行星进行观测。事实上前苏联的“冥王星”和美国“阿雷西博天文台”就曾利用电磁波对这些行星进行过雷达成像,遗憾的是这些雷达都已经退出了历史舞台。目前全球最大的天文雷达是美国戈德斯通70米孔径太阳系雷达。

除了天文学研究和小行星防御任务外,“中国复眼”还可以利用它强大的雷达阵列密切监视地球轨道上的航天器和太空垃圾。由于地球自转,我们在黑夜里无法利用光学望远镜监视头顶的卫星,而雷达自带“探照灯”,它不受光照影响,电磁波也不会被乌云雾霾遮挡,因此可以观测到数百公里高空几厘米大小的物体。任何物体危险靠近我们的卫星和空间站,都能被及时发现,并采取措施摧毁或避让。

另外,据说“中国复眼”建成之后,过几年我们发射“天问二号”探测器的时候,就有帮手了。它可以为“天问二号”选择条件最合适的小行星降落,如果真能成像的话,会不会在地球上就能拍到“天问二号”降落和采样作业的过程呢?

天问二号可不是去火星的

 “中国复眼”在全球的地位如何?

因此,“中国复眼”计划正式着眼于近地小行星的“上限”,即1.5亿公里这个范围,来开展太阳系内小行星的详细观测。项目建成以后,“中国复眼”将成为世界上探测距离最远、探测效果最佳的组合式深空雷达监测系统。

届时,“中国复眼”既能填补国内在该领域的能力空白,满足近地小行星防御、空间态势感知等需求,使太阳系内的小行星以及“闯入”太阳系的小行星无所遁形,而且还可拓展用于地球宜居性、行星形成等前沿领域研究,可以说是“一石多鸟”。“中国复眼”将在深空雷达探测和小行星防御监测等方面,走在世界的前列,为地球和人类的安全做出卓越的贡献!

总结

“中国天眼”是全球最大的球面射电望远镜,它是用于宇宙探索和研究的大科学设备;“中国复眼”将成为全球最大的分布式天文雷达,它除了用来观测行星、寻找有威胁的近地小行星,还可以监视太空垃圾和那些“不速之客”,为我们的航天器保驾护航。

未来“天眼”还可以与“复眼”携手合作,利用它超大超灵敏的天线接收“复眼”雷达波反射信号,为中国太空探索任务贡献力量。

责编:Amy.wu
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