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Galaxy Forum China - Beijing: Fast介绍 20111208

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Galaxy Forum China - Beijing: Fast介绍 20111208

  1. 1. FAST 工程介绍 中国科学院国家天文台 2011 年 12 月 8 日 北京
  2. 2. 一、项目概况和背景二、建设内容和工程进展三、科学研究计划
  3. 3. 500 米口径球面射电望远镜 ( Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope )利用贵州喀斯特地区的洼坑作为望远镜台址,建造世界第一大单口径射电望远镜 -500 米口径球冠状主动反射面射电望远镜。 FAST 接收面积 =30 个标准足球 场
  4. 4. 射电天文:认知宇宙的重要工具•  射电天文对人类认识宇宙的历史性贡献发现了 星际氢原子,星际分子,星际气体,空间脉泽、 宇宙微波背景辐射,揭示大爆炸起源,脉冲星, 揭示极高磁场和密度特殊物态 -- 5 项诺贝尔 奖•  射电天文是当前天体物理的热点和前沿 Atacama Large Millimeter Array (ALMA): 世界最大 全球合作 望远镜 ,
  5. 5. FAST 500 米望远镜
  6. 6. FAST 的创新思想用贵州独特的喀斯特洼地作为巨型射电望远镜台址动球反射面技术在地面改正球差机电一体化的馈源支撑技术,通过索驱动与并联机器人二次精调的结合
  7. 7. FAST 的优势灵敏度比德国 Effelsberg 100 米和美国 GBT 100 米提高近 10 倍。相比美国 Arecibo 300 米提高 2.5倍天区覆盖AST 工作天顶角为 40 度,是美国 Arecibo 300米望远镜的两倍频率完整覆盖及多波束
  8. 8. FAST 的历史和国际地位具有中国独立自主知识产权的 FAST 是世界上正在建造及计划中的口径最大、最具威力的单天线射电望远镜
  9. 9. 一、工程概况建设单位 主管部门: 中国科学院 共建部门: 贵州省人民政府 法人单位: 中国科学院国家天文台科学和应用目标科学目标 应用目标 巡视宇宙中的中性氢  空间飞行器的测控与通讯 观测脉冲星  脉冲星计时阵和自主导航 主导国际 V I 网 LB  非相干散射雷达接收系统 探测星际分子  高分辨率微波巡视 搜寻星际通讯信号 FAST Phoenix
  10. 10. 望远镜台址--贵州平塘县 GuiyangLocation: N25.647222º E106.85583° Site: the Karst region in south Guizhou Province 10
  11. 11. Quick Bird Fly Oct. 6, 2005 11
  12. 12. FAST 建设 模型 1. tower 2. girder ring3. cement 4. cable & nodedepression 5. actuator
  13. 13. 建设内容、规模和周期 1、台址勘察与开挖 2、主动反射面 3、馈源支撑:实现望远镜指向跟踪 4、测量与控制 5、接收机与终端 6、观测基地建设建设周期自开工报告通过之日起5. 5 年, 2016 年 9 月 25 日 ,FA 工程竣工。 ST 投资概算 2008 年 12 月 26 日 , FA 工程举行奠基仪 ST 目前总投资概算: 6. 67亿元 式
  14. 14. 总体指标 球反射面:半径: 300m ,口径: 500m 有效照明口径: 300m 焦比: 0.467 天空覆盖:天顶角 40° 工作频率: 70MHz - 3GHz 灵敏度 (L 波段 ) : 2000m2/K 分辨率 (L 波段 ) : 2.9′ 多波束 (L 波段 ) : 19 观测换源时间: < 10 min 跟踪精度: 8″
  15. 15. 系统构成台址勘察与开挖主动反射面馈源支撑测量与控制接收机与终端观测基地建设 AB机构和Stewart平台
  16. 16. 主动反射面 500m girder built around hills supported by 50 pillars Backup consists of ~7000 steel strands actuated by ~2300 down tied cables driven by winches anchored into ground Errors 5.0 mm r.m.s in total 18
  17. 17. 馈源支撑平台mechanical-electronic-optical integrated design  平台总重 ~30 顿  接收机平台负荷 ~3 顿 ★ S1  最快跟踪速度 11.6mm/s  换源速度 400mm/s O  位置误差 <10mm  指向精度 8’’ 19
  18. 18. 馈源支撑 - 馈源舱方案设计 方案实体模型
  19. 19. 馈源仓控制 Cable network - first adjustable system Stewart - secondary adjustable system Close loop control 21
  20. 20. Dynamic experiment on Stewart stabilizer, Sept. 2002 22
  21. 21. 测量与控制 FAST 测量控制网 洼地周边山顶选 4点,构成 大地四边形 与基岩相接建高稳定基墩, 正在进行稳定性监测
  22. 22. 测控系统 – 快速、精准、远程测量1 、馈源仓 3 维定位 Large working range up to 300 m Errors ~1 mm Sampling rate > 10 Hz2 、主动反射面面型测量  Number of targets ~2400  ~1000 in illuminated area  Accuracy 1~2mm  Sampling interval 10 sec ~ few min 24
  23. 23. 照相测量主动反射面面型1000 nodes withinilluminated areato be scanned in real-timeperiod ~ 1 min 25
  24. 24. 测量与控制 - 反射面测量与控制  与美国 A 公司合作,启动主反射面 2300节点实时测量 PI 样机研制工作;样机组装完成,即将进行验收调试和测试 S T D e rro r d is p la c e m e n t1 .61 .41 .2 10 .80 .60 .40 .2 0300 200 100 0 250 200 -1 0 0 150 100 50 -2 0 0 0 -5 0 -1 0 0 -1 5 0 -3 0 0 -2 0 0 -2 5 0  仿真结果: 500米范围内 6台设备, 径向误差全部小于 1. 6m ,满足系统 m 要求
  25. 25. 接收机平台布局设计 27
  26. 26. L- 波段多波束接收机设计 xy z 28
  27. 27. 接收机与终端 - 2密云模型观测情况 密云模型低频馈源EM 测试 I
  28. 28. HI was observed using 50mmodel in Sept 2006. 30
  29. 29. 9 组 FAST 接收机参数No Band (GHz) Beams Pol. Cryo Science Tsys(K )1 0.07 – 0.14 1 RCP no High-z HI(EoR),PSR, VLBI, Lines LCP 10002 0.14 – 0.28 1 RCP no High-z HI(EoR),PSR, VLBI, Lines LCP 4003 0.28 – 0.56 1 or multi RCP no High-z HI(EoR),PSR, VLBI, Lines LCP 150 Space weather, Low frequency DSN4 0.56 – 1.02 1 or multi RCP yes High-z HI(EoR),PSR, VLBI, Lines LCP 60 Exo-planet science5 0.320 – 0.334 1 RCP no HI,PSR,VLBI LCP 200 Early sciences6 0.55 – 0.64 1 RCP yes HI,PSR,VLBI LCP 60 Early Sciences7 1.15 – 1.72 1 L wide RCP yes HI,PSR,VLBI,SETI,Lines LCP 258 1.23 – 1.53 19 Lnarrow RCP yes HI and PSR survey, Transients multibeam LCP 259 2.00 – 3.00 1 RCP/ yes PTA, DSN, VLBI, SETI 31 LCP 25
  30. 30. FAST 天空覆盖 Sky coverage ZA 30 deg ZA 40 deg ZA 60 deg FAST Zenith ZA 56 degSky coverageFAST vs. Arecibo 32
  31. 31. FAST 工作频率范围 0.13 0.327 1.42 3 4 5 8 (GHz) In layout 2000 First phase Second phase HI surveying70MHz EoRz~20 Pulsar 300MHz 5.2GHz VLBI HCOOH 17 Lines CH3OH OH(4) HC5N(4) CH(4) CH4 H2CO(6) SETI Water hole Space33 science S Band C Band X Band
  32. 32. 二、工程进展 1994 年,启动 FAST 选址工作,开始了 FAST 项目 13 年的预研究 2007 年 7 月,国家发改委批复 FAST 项目建议书, FAST 工程立项 2008 年 10 月,国家发改委批复 FAST 项目可行性研究报告 2009 年 3 月,中国科学院和贵州省人民政府联合批复 FAST项目 初步设计及概算 2011 年 3 月,中国科学院和贵州省人民政府联合批复 FAST项目开工报告 进场道路完工 台址开挖工程开工
  33. 33. (排水隧道 1.2 公里)预计 2016 年竣工 35
  34. 34. FAST 的科学前沿课题宙学研究 : 在低频射电波段对物质和能量进行精确测量 , 检验暗物质模型系演化和恒星形成 : 研究星系中星际介质和恒星形成区的物理/化学过程冲星及引力波 : 致密天体的状态,引力波探测,脉冲星时与导航外行星及文明搜索
  35. 35. FAST 的科学产出: I 、星系FAST HI 巡天:估计每天可探测到数百个星系积分模式---- 6 sec---- 60 sec---- 600 sec---- 6000 sec---- 60000 sec
  36. 36. 宇宙的大尺度结构 (Springel et al. 2005, Nature)
  37. 37. 宇宙组成
  38. 38. M31
  39. 39. 重子物质分布
  40. 40. M31 星系外的中性氢分布 Braun & Thilker 2003
  41. 41. 星系如何吸积宇宙气体• M31 和 M33 星系外发现大量中性氢气体 Braun &Thilker 2004
  42. 42. 重子缺失问题• The Census at z = 0 (Fukugita and Peebles 2004): Fraction of fb• 6% in stars in galaxies• 1.7% in the cold gas in galaxies• 4% is the gas in clusters of galaxies and groups (image in X-rays)• 30% as neutral cool/warm intergalactic medium -- HI• Warm-Hot Intergalactic Medium (T > 10^5 K)• 15-20% in 1-5×10^5 K (OVI, broad Lyα lines)• Remainder predicted to be in 0.5-10×10^5 K gas – Cen and Ostriker (2005); see also Fukugita, and Peebles (2004), Croft et al. (2001), Voit, Evrard, and Bryan (2001), Davé
  43. 43. 宇宙纤维 Cosmic web Ibata and Lewis (2008) Sciences 319, 50
  44. 44. 星系形成和演化模拟 Kacprzak et al. 2010
  45. 45. 星系演化• 星系吸积星系际气体的过程,星系中气体 如何通过反馈过程回到星系际空间。• 星系中的恒星形成率• 中性氢含量、分布与特性随红移的演化。• 星系形成和星系演化的数值模拟(强调气 体)• 观测量:随红移的演化
  46. 46. 星系演化:中性氢红移变化• 通过 21 厘米氢线对中性氢云进行的最遥远盲探测大约在红 移   z=0.2   处。星系的演化效应只有在红移为 0.3 或更大时才开 始变得明显,将中性氢的观测距离延伸至   z=0.3   甚至更远的宇 宙空间,才 能真正构造星系演化的图像。• FAST 的盲探可能观测 到红移 0.3 至 0.7 处星系团核心星系内的氢, 所有星系族中的演化效应都能通过 FAST 观测得到。• 在其它系统中还可能探测到主导星系形成之后的残余中性氢 云以及 前身星暴星系。另外,对矮星系的研究有可能给出星系形成的大致线 索,如果矮星系恒星延缓形成的机制正确,在矮星系演化中应该有明 显的迹象。  • 了解星系形成的具体机制。星 系形成所需要的中性氢是怎样补给的 ,是通过连续的吸积,还是通过小星系的合并?冷凝的气体是否即是 高速运动云的来源?恒星形成和活动星系核对气体的反馈作 用是怎 样的?星系所处环境(星系团、空洞)的影响如何?
  47. 47. 大尺度结构与暗能量• 宇宙中物质的分布不是完全均匀的。不同尺度密度涨落的程度可由物 质密度功率 谱来表征了,而原初物质密度功率谱由宇宙早期暴涨过 程决定,因此其精密测定为研究宇宙的起源和极高能量下的物理过程 提供了极其宝贵的信息。同时,今天的物 质密度功率谱也与扰动在 宇宙演化中的增长过程有关,可用于检验引力理论、高维度空间理论 、测量中微子的质量等。特别是,宇宙早期的辐射-重子耦合震荡在 物 质功率谱中留下了一些小峰和谷,这些特征作为一种标准尺度可 以用于暗能量特性的研究,揭示暗能量的性质。在大尺度上,中性氢 的分布与 物质密度的总体分布应该是一致的。通过对宇宙中性氢分 布的测量,可以确定物质的总体分布。       利用 FAST 可以对大尺度结构进行巡天观测。功率谱的测量 精度主要取决于有效体积。为了获得大的有效体积,应尽可能增大观 测面积,覆盖整 个可观测天区。  
  48. 48. 暗物质小尺度分布、黑暗星系   1. FAST 的高分辨率、高灵敏度的中性氢 HI 邻近宇宙空间 巡天,探测微弱 HI 质量函数,从而揭示邻近宇宙中的中 性 氢分布,这为我们解决标准宇宙模型的小尺度危机提 供了新的工具。2. 根据冷暗物质模型进行的 N- 体数值模拟计算预言,在本 星系群暗物质晕中存在成百上千的暗物 质子结构,然而 目前的光学观测却仅仅发现了二十个左右的本星系群矮星 系,此即所谓失踪伴星系之谜。近距中性氢巡天有望发现 由于气体密度低而未能形成恒星的“黑暗星系”,从而解 开暗晕子结构之谜。同 时,对中性氢分布的详细观测, 还有可能揭示本星系群和附近物质的纤维状分布,为我们 深入了解暗物质的分布和性质提供更多的线索。  
  49. 49. 课题实例:星际介质的生命周期 原子= 》 分 子
  50. 50. 银河系盘外中性氢分布
  51. 51. FAST 的科学产出 II :脉冲星FAST 巡天有望发现~ 4000 颗脉冲星~ 300 颗毫秒脉冲星巡天时间: 200 天积分时间: 600 秒
  52. 52. 国际VLBI 网
  53. 53. 可能的重大发现及早期科学现暗星系现高红移星系系团中气体测量现一些特殊脉冲星(如第一颗外星系脉冲星)以完善致密天体认识,开创相对论引力的新领域
  54. 54. 谢谢大家!

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