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自主研发超导成像频谱仪 圆中国人天文梦

2013年09月26日08:21    来源:《中国科学报》    手机看新闻
原标题:“慧眼”扫描银河画卷

  日前,中科院紫金山天文台利用最新开发成功的毫米波边带分离混频技术,自主研发了我国第一台超导成像频谱仪。一举将我国毫米波望远镜的观测能力升至国际前沿。

  中科院紫金山天文台副台长甘为群盼望着,藉由这一“科学的鹰眼”,可以窥知更多“人类从哪里来?到哪里去?”等基本的哲学命题。

  冷暗宇宙的奥秘

  当意大利科学家伽利略第一次将望远镜对准天空时,人类就开始了对宇宙的探索。几百年来,天文观测技术不断精进,人类的视野也随之拓展到更遥远的地方。

  “同一个天体,在不同波段下看到的图像是不一样的。”中科院紫金山天文台研究员王红池说,“比如对一些发热的恒星,光学望远镜就能看到;但很多冷的天体,以及形成于早期的天体,只有在毫米波段才能被观测到,这时就需要射电望远镜了。此外,宇宙中布满了尘埃,想要看到尘埃后面的东西,也需要穿透性更强的射电望远镜。”

  近年来,对“冷暗宇宙”的研究逐渐成为国际热点,中国也在其中发挥了重要作用。例如,作为中国短毫米波段射电天文观测领域唯一的大型开放研究设备,紫金山天文台青海观测站的13.7米毫米波望远镜就取得了一系列重要的科学发现。

  然而,随着科技竞争的日益激烈,没有金刚钻,就越来越难揽瓷器活。“这就像一部好的相机需要一个好的CCD一样,一架好的射电望远镜也离不开一个好的信号接收机。”紫金山天文台研究员、南极天文与射电天文研究部主任史生才坦言。

  “鹰眼”巡天

  有了这只“鹰眼”,中国天文学家终于可以圆一个做了许久的天文梦。

  由紫金山天文台主导的“银河画卷”巡天计划从2011年开始实施,将覆盖北天银道面±5度范围的天区以及邻近恒星形成区、高银纬星际分子云及其他区域,完成数据获取、数据校准、质量检查、编目入库、数据汇总等任务。

  “就好像对银河系做人口普查一样。”甘为群说。银河系就像个大盘子,中间的银道面是恒星和分子云分布最为集中的地方。

  “不要小看这些存在于星星之间的分子云,恒星和星星就起源于这些‘云’。”王红池解释称,“所以,研究分子云在银河系中的分布、结构和物理性质,是十分重要的工作。”

  依据计划,这些工作要用10年左右来完成。但是,要在如此短的时间里细细描绘浩如烟海的银河画卷,几乎也是一项不可能完成的任务。

  超导成像频谱仪再次为科学家点燃了希望。原来,这台仪器突破了单象元空间成像的限制,能够同时观测9个像素,再辅以其他技术创新,将望远镜的观测效率提高了20倍以上。“这样,原来需要200年才能完成的银河巡天,现在只需要10年了。”王红池告诉《中国科学报》记者。

  20年前进“1微米”

  在紫金山天文台的实验室里,记者看到了一个“不起眼”的小零件,可它却是史生才心中最珍贵的宝贝。

  这个只有1微米见方的小器件叫做超导隧道结芯片,用史生才的话说,它是超导成像频谱仪“核心中的核心”。为了这个“小家伙”,中国科学家奋斗了将近20年。

  上世纪80年代初,中国就开始部署建设毫米波望远镜,这在国际上起步并不算晚。然而,由于欧美国家的技术封锁,中国一直没有自己的核心探测器。

  就这样,史生才和同事们开始了一条自己的探索之路。“望远镜对探测器的要求是探测效率高、本身杂音小,而近年来兴起的超导材料,刚好符合我们的要求。”

  直到1996年,科研人员才将第一台自主研发的超导接收机装在了青海的望远镜上,而后又几经改造升级,使探测器性能不断提升,在国际同类仪器中达到领先水平。目前,望远镜已在国内外开放观测中完成了上百个天文研究课题,取得了诸多重要的发现。

  “我是个在天文台工作的实验物理学家,”史生才说,“在与天文学家密切合作的这些年里,我深深地体会到,掌握核心器件的制备有多关键。只有我们真正掌握了核心技术,才能做出更漂亮的科研工作。”

(责编:王琼(实习生)、马丽)

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