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为什么对撞机在经济上是划算的投资
chunkexue 2019-5-16 11:47
对撞机的价格问题 前文“中国应当建对撞机的真正理由”中,我们从测量角度分析了建造对撞机的科学理由。本质上说,对撞机是属于实验物理学,或我称的物理测量学科的事情,首先要从这个学科角度来理解问题。当然,因为测量和实验是需要大量实际物质投入的,这方面的确是理论研究的优点所在。理论研究可以只从数学、逻辑或学科理论角度获得一定的结果,但是,最终理论必须要接受测量数据的检验,因此,对科学研究来说,实际物质的投入是不过避免的,而这样的投入就需要花钱。 随着现代科学测量仪器进入精度越来越高的阶段,测量设备所花费的金钱也越来越多。尤其前沿的尖端物理学研究所需要的大型测量设备,其价格更是天文数字。因此,人们对建造这样的测量设备在经济上担心是可以理解的。如果这样,问题就变成进行这种投资的经济性评估问题。 1984年中国决定建造北京正负电子对撞机,总投资为2.4亿人民币,当年中国GDP为7278亿人民币。这一台测量设备的投资为当年中国GDP的万分之3.3。当年对这个项目同样有经济性的争论,并且这个项目从提出到正式开始建造花了12年时间,从1972年8月张文裕等18位科技工作者给周恩来总理写信提出建造高能加速器,到1984年10月正式破土动工兴建,中间经历多次反复。 CEPC一期预算为360亿人民币,预计十四五计划期间开建,那时中国GDP应当为100万亿以上,CEPC的造价与动工时中国GDP比例约为万分之3.6以下,与北京正负电子对撞机的这个比例基本相同。因此,如果说当年北京正负电子对撞机未成为中国经济上的负担,现在建CEPC经济上也负担得起。如果仅仅这么说,可能还是难以消除人们在经济上的担心。关于这个问题,我们就需要转换一下思路,为什么这样的大型科学测量仪器只是花钱的事情,而不是想如何去从中赚钱呢? 花钱与赚钱 在1984年中国开工建造北京正负电子对撞机的那一年,美国举行了洛杉矶奥运会。在这届之前,奥运会也是一件花钱巨大,活动搞完之后举办国往往为此背上沉重债务的事情。遇到这种事情该怎么办呢?一种想法是奥运会不过是极少数运动员去玩一玩,不是大众体育。他们去比赛一下,拿个奖杯,不过是图个虚名,花那么多钱不值,不如把奥运会停了算了,把钱用在别的民生问题上。但另一种思路是:如果采用前面这个思路,那最后人类可以做的有意义的事情就越来越少了。既然只是钱的问题,那为什么不通过这个事情赚更多钱来解决呢?奥运会本身的确只是一个花钱的事情,但只要想办法去开发其商业价值,就能找到赚钱的途径。善于经营的尤伯罗斯让1984年的奥运会变成了一件赚钱的活动。从此之后,奥运会摆脱了财务的困扰。 科学研究本身的价值是无须多言的,如果问题只是因此需要花钱越来越多,那解决钱的问题就是了。而如何让花钱很多的科研项目赚钱,你得去找像尤伯罗斯这样精通经营和赚钱的商人,而不是去找奥运会冠军。 一个成功的案例 FAST项目在20世纪90年代初由南仁东提出概念,到2007年7月10号被发改委批准时,总预算为6.67亿人民币,这个项目2016年9月底投入使用,前后耗费20多年时间。这也是一个花钱不少的项目。而就在FAST建设的同时,其所在地的贵州偏远的平塘县克度镇就已经打出了建设国际天文小镇的口号,跟随建设大量旅游设施。据公开规划,克度镇平塘国际射电天文科普旅游文化园2016年9月份建成,其中包括一个四星级旅游度假酒店,游涡星系广场、中轴迎宾广场、FAST访客服务中心、天文体验园、暗夜观星园、天文教育园、天文时光村、平塘星级酒店综合体、星辰主题酒店、天文风情客栈、光影天街、万国风情美食街、星空旅游乐场、欢乐葡萄园、科旅度假园等15个项目。这个文化产业园投资24亿人民币,比FAST的建设成本高出4倍。当地的房地产价格几年之间从每平方1000多飙升到5000元。2016至2018年,因为FAST天眼项目建成投入使用,平塘县旅游总收入连续实现爆炸式的增长,三年增长率分别为46.5%,55.1%,54%。从2016年的67.81亿人民币,增长到2018年的161亿,净增了约100亿人民币,数量级地超过FAST投资额。平塘县的大量政府工作报告中都明确提到了天眼项目对平塘县旅游收入增长的显著刺激作用。 那些认为应该把搞科学研究的钱拿去搞民生、搞扶贫的人表面上好像很正义,但他们哪里会明白,真拿6个多亿建设FAST的钱去扶贫,怎么可能扶出这么好的效果?真把这6个亿分给一个贫困县的人,他们没有创富的有效资源,这6个亿还不是最后只能喝酒、打麻将全花掉了,然后再伸手要吗?这种资源纯属可遇不可求的,但一定程度上又是人力可为的。这不比到处花钱挖古迹寻找旅游资源强得多吗?这不比人为地挖空心思花巨资建设各种巨型的纪念雕塑,恨不能把中国历史上、甚至艺术作品、神话传说中稍有点名气的人都翻出来炒作旅游价值要高得多吗? 贵州省“十大文化产业园”之一的平塘国际射电天文科普旅游文化园沙盘效果 花钱最多的大型科学测量仪器,它们的社会关注度极高,在眼球经济的时代,关注度就是钱,问题只是如何把它们变现而已。花钱越多的科学测量仪器,社会关注度就越高,潜在商业价值就越大。CEPC商业价值极大的原因就在于它贵,便宜了还真没人有兴趣了。杨振宁知道如何把花钱最多的对撞机潜在商业价值变现成钱吗?当然不懂,他要懂就不会得诺贝尔奖了,很遗憾王贻芳也不懂。争论该不该建对撞机的绝大多数人都不懂如何把对撞机变现成钱,那争来争去有什么用?能解决什么问题?反对的人能得出的结论就是这也不能做,那也不能做。所有花钱的事情都省了,那赚钱干嘛,人类活着的意义是什么? 如何用大型科学测量仪器赚钱? 科学研究投入获得的收益可分为三种: 直接相干获益,间接相干获益,不相干获益 。 大多数人,尤其专业人士往往会关注到直接相干获益。比如对撞机,它能测量高能粒子的基本参数,可能发现新的粒子。如果某个研究成果可以变成商业产品,那就更好了......这些都是直接相干获益。 要建设对撞机,就需要用到很多并不属于高能物理的技术设备,还有为参与研究的科学家提供了支持条件等。这些都是属于间接相干获益。 以上无论是直接还是间接相干获益,因为是相干的,所以就会受到很大限制。有很多相干获益可能只是科学上的学术价值,不一定有商业价值,这更限制了商业上的开发。要想最充分地开发大型科学测量仪器的商业价值,必须最充分地关注不相干获益。它包括如下方面: 科学旅游。正如前面FAST的案例,花钱越多的科学仪器,人们想去看看的好奇心就越强,旅游价值就越大。科学旅游不仅是科普,而且可以搞出很多其他地方不可能有条件搞出来的独特旅游项目。例如,一般旅游点的碰碰车,如果在这里稍微变一下改成环形轨道上的“对撞车”,可以把“对撞出爱情的火花”作为宣传题材,那不比一般的碰碰车好玩多了。撞出火花——结婚——生出宝宝,这就是对撞产生出新的粒子啊。 冠名权,尤其独家冠名权。尤伯罗斯把奥运会从亏钱变成赚钱,其中一个重要的招数就是充分地变现独家冠名权。“王建林国际物理实验中心”,全球最大。虽然万达现在手头有点紧,独家冠名权小目标50个亿不算多吧?“马云国际数字图书馆”,全球最大。马云刚刚说了,对赚钱一点兴趣都没有,但对花钱有兴趣。那就花在CEPC上嘛,况且还会用到阿里云的技术—如果不到70个亿那怎么能体现马云的身份?“马化腾国际学术会议中心”,全球最大,40亿;“李彦宏对撞机数据处理中心”,全球最大,30亿。这不过是极少一部分独家冠名权,已经190亿,全部独家冠名权拍出去收入得奔4、5百亿以上去了,区区360亿CEPC的总投资额多吗?这些事情你找杨振宁怎么可能办得出来?如果只是个“世界最高能量的对撞机”,你可以认为它只是一个虚名,但如果知道如何把这个虚名变现,它就不是虚名了。是不是虚名不在于这个事情本身,而在于你如何开发利用它。 对撞机房地产。全国性的房地产肯定不行了,对撞机概念的房地产升值空间5、6倍不算多的。 以上商业开发空间只是作为免费咨询抛出的九牛一毛而已,还有其他真正获利最大的开发空间,暂时作为商业机密保留吧。如果不能从CEPC对撞机中赚出3、5千亿来,只能说明脑子不开窍,说明不了别的。
个人分类: 纯科学|2758 次阅读|0 个评论
List of Confirmed FAST Pulsars
qianlivan 2018-12-2 22:26
This is a backup site for the List of Confirmed FAST Pulsars. Most pulsars are found by drift scan observation. No. Name RA (J2000) DEC (J2000) Period (ms) DM Method Discovery date Confirmation Notes 1 J1859-01 18 59 -01 1832 188 FFT 2017-08-22 2017-09-10( Parkes ) 2 J2337+48 23 38 +48 119 34 FFT 2017-08-04 2017-10-06( Effelsberg ) 3 J1931-02 19 31 -02 593 36 FFT 2017-08-22 2017-09-10( Parkes ) Coincide with GBT drift 350-MHz search result J1930-01 4 J1926-07 19 26 -07 1612 85 FFT 2017-08-31 2017-10-07( Parkes ) 5 J1852-07 18 52 -07 640 228 FFT 2017-09-02 2017-10-07( Parkes ) 6 J1945+12 19 45 +12 4745 95 FFT 2017-09-03 2017-10-08( Parkes ) 7 J2323+12 23 23 +12 3760 22 SP 2017-09-01 2017-10-17( Parkes ) 8 J1825-01 18 25 -01 224 80 FFT 2017-08-25 2017-10-24( Parkes ) 9 J0402+48 04 02 +48 512 86 FFT 2017-09-05 2017-11-23( Effelsberg ) 10 J0528-07 05 29 -07 689 80 FFT 2017-10-20 2018-01-29( Parkes ) 11 J0344-08 03 44 -08 409 34 FFT 2017-11-09 2018-02-02( Parkes ) 12 J0021-09 00 21 -09 2316 25 FFT 2017-11-11 2018-03-17( Parkes ) 13 J2053+47 20 53 +47 4910 331 FFT 2018-02-07 2018-03-19( Effelsberg ) 14 J2006+41 20 06 +41 499 259 FFT 2018-02-13 2018-03-19( Effelsberg ) 15 J1942+39 19 42 +39 1353 105 FFT 2018-04-26 2018-05-13( Effelsberg ) 16 J1949+47 19 47 +47 182 104 FFT 2018-04-23 2018-05-13( Effelsberg ) 17 J1822+26 18 22 +26 591 65 FFT 2018-04-29 2018-05-25( Parkes ) 18 J2300+48 23 00 +48 2557 63 SP 2017-08-22 ( FAST ) 19 J1919+26 19 19 +26 652 96 FFT 2017-08-23 ( FAST ) Confirmed by Parkes and Effelsberg as well 20 J0203+01 02 03 +01 5 19 FFT 2017-08-25 ( FAST ) 21 J0209+26 02 09 +26 1935 24 FFT 2017-08-23 ( FAST ) 22 J1914+26 19 14 +26 459 59 SP 2017-08-23 ( FAST ) 23 J2301+48 23 01 +48 742 72 FFT 2017-09-08 ( FAST ) 24 J1844+21 18 44 +21 594 29 SP 2017-09-14 ( FAST ) Also detected by LOFAR on 2018-4-28 25 J0539+00 05 39 +00 4753 48 SP 2017-09-13 ( FAST ) 26 J2111+21 21 11 +21 1060 79 FFT 2017-09-14 ( FAST ) 27 J2025+21 20 25 +21 623 72 FFT 2017-09-14 ( FAST ) 28 J2236+49 22 36 +49 932 43 SP 2017-09-17 ( FAST ) 29 J2129+41 21 29 +41 1688 35 SP 2017-10-09 ( FAST ) 30 J2057+21 20 57 +21 1166 75 FFT 2017-09-14 ( FAST ) 31 J0552+41 05 52 +41 559 37 FFT 2017-10-19 ( FAST ) 32 J2238+40 22 38 +40 273 74 FFT 2017-11-18 ( FAST ) 33 J1020+40 10 20 +40 216 10 FFT 2017-11-20 ( FAST ) 34 J0210+42 20 10 +42 351 50 FFT 2018-01-02 ( FAST ) 35 J1637-00 16 37 -00 443 10 FFT 2018-01-04 ( FAST ) 36 J0540+45 05 40 +45 401 56 FFT 2018-01-22 ( FAST ) 37 J0941+45 09 41 +45 2714 18 SP 2018-01-22 ( FAST ) 38 J1501+46 15 01 +46 1752 27 FFT 2018-01-28 ( FAST ) 39 J0427+47 04 27 +47 2159 54 SP 2018-02-05 ( FAST ) 40 J2112+40 21 12 +40 4064 128 FFT 2018-02-12 ( FAST ) 41 J1929+41 19 29 +41 46 28 SP 2018-02-15 ( FAST ) 42 J1618+39 16 18 +39 1894 23 SP 2018-03-01 ( FAST ) 43 J0318+02 03 18 +02 5 26 FFT 2018-02-27 2018-04-18( Fermi-LAT ) Found by tracking 44 J0803-09 08 03 -09 571 21 FFT 2017-11-15 2018-06-25( Parkes ) 45 J1243+39 12 43 +39 30 29 FFT 2018-03-02 2018-09-13( FAST ) 46 J1248+41 12 48 +41 2819 25 SP+FFT 2018-04-20 2018-09-14( FAST ) 47 J0539+00 05 39 +00 4707 47 SP+FFT 2017-09-13 2018-09-19(Arecibo) 48 J0209+26 02 09 +26 1935 24 SP 2017-08-23 2018-09-27(Arecibo) 49 J1844+21 18 44 +21 595 29 SP+FFT 2017-09-14 2018-10-01(Arecibo) 50 J2025+21 20 25 +21 623 71 FFT 2017-09-14 2018-10-01(Arecibo) 51 J2057+21 20 57 +21 1166 72 FFT 2017-09-14 2018-10-01(Arecibo) 52 J1802+47 18 02 +47 347 31 FFT 2018-04-27 2018-10-01( FAST ) 53 J1502+46 08 03 +46 1752 25 SP+FFT 2018-01-28 2018-10-08( FAST ) 2018-10-28( Effelsberg ) 54 J1827+00 18 27 +00 375 96 FFT 2018-08-27 2018-12-18( FAST ) 55 J1859+42 18 59 +42 4341 66 FFT 2018-08-02 2018-12-19( FAST ) 56 J1754+00 17 54 +00 4.4 70 FFT 2018-08-27 Also detected by HTRU survey, Parkes 2014-01-16 57 J0753-08 07 53 -08 2094 33 SP 2017-11-05 Also detected by HTRU survey, Parkes 2015-06-11
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The Introduction of FAST
qianlivan 2018-10-14 04:53
The Introduction of FAST (为2018全俄科学节准备的解说词。由于观众基本不说英语,所以没有用上,全靠志愿者帮忙解说了。) Dear all, this is the model of FAST. FAST stands for Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, with a diameter of 500 meter at the crown opening. It is currently the world largest single dish radio telescope. FAST situated in a Karst depression in southwest China. This Karst depression is close to a sphere, which minimize the excavation. It is with a higher altitude than the Karst depressions around, which makes a good shielding of radio frequency interference (RFI). There are several subsystems of FAST. This is the active reflector, which will form a parabola in observing. The feed cabin is suspended upon the focus sphere. There are some instruments to measure and control the position and orientation of the feed cabin. During the observation, a source will go across the sky, the reflector will deform and so the feed cabin will move accordingly. Why bother to deform the reflector? Because the parallel light rays will be focused to a line by a spherical reflector, to a point by a parabola. During the observation, a parabola of 300-meter aperture will be formed in real time, in order to track a source. Why do we hang the feed cabin with cables? This is a design to minimize the weight of the feed support system. Compared with the thousand-ton feed support system of Arecibo telescope, the feed cabin of FAST is only 30 tons. This small feed cabin also makes least obscuration. The device to receive the signal is call a receiver. The receivers are suspended under the feed cabin. FAST have several science goals, including Galactic HI mapping, HI galaxy search, pulsar search, interstellar molecules. HI is the hydrogen atoms in the ground state. HI will radiate line emission with wavelength 21 cm. There are HI in many galaxies, including our Milky Way. We can thus observe this 21 cm line to trace HI in the Milky Way and other galaxies. Pulsars are rotating neutron stars. The emit radio wave from the poles. When the radiation beam passes our Earth, we can see a pulse. There are also molecules in the interstellar space, which can be traced by molecular lines. Now we have found the interstellar molecules of sugar. Maybe we can find amino acid in the space in the future! 20181015补充,志愿者 даша帮忙翻译成了俄语 Описание FAST Дорогие посетители, это модель FAST. FAST - это телескоп, у которого диаметр сферического отражателя 500 метров. В настоящее время это крупнейший в мире радиотелескоп с одним отражателем. FAST расположен в карстовой впадине на юго-западе Китая. Эта карстовая впадина по форме близка к сфере, что позволило уменьшить затраты времени на искусственное формирование впадины для размещения отражателя. Эта карстовая впадина находится на более высокой высоте, чем остальные впадины рядом, что обеспечивает хорошую защиту от радиочастотных помех. FAST состоит из нескольких элементов. Одним из них является активный отражатель, который образует параболу при наблюдении. Облучатель подвешен над отражателем в фокусе параболоида. Существуют некоторые инструменты для измерения и контроля положения и ориентации облучателя. Во время наблюдения источник будет перемещаться по небу, отражатель будет деформироваться, и поэтому облучатель будет двигаться вслед за сигналом от источника. Почему необходимо деформировать отражатель? Затем, что параллельные световые лучи не могут быть сфокусированы облучателем, деформируясь, отражатель позволяет сфокусировать сигнал в облучатель. Во время наблюдения парабола с 300-метровым диаметром будет формироваться в реальном времени, чтобы следить за источником. Почему мы вешаем облучатель с помощью кабелей? Эта конструкция позволяет минимизировать вес системы облучателя. По сравнению с многотоновой системой облучателя телескопа Аресибо, облучатель FAST весит всего 30 тонн. Небольшие размеры кабины облучателя позволяют ему отбрасывать не очень большую тень. Устройство для приема сигнала называется приемник. Приемники подвешены под кабиной облучателя. FAST преследует несколько научных целей, включая галактический HI маппинг, HI поиск галактик, поиск пульсаров, межзвездных молекул. HI - атомы водорода в основном состоянии. Йодид водорода излучает линии с длиной волны 21 см. Во многих галактиках присутствует HI , включая наш Млечный Путь. Таким образом, мы можем наблюдать эту линию, длиной 21 см, для отслеживания наличия HI в Млечном Пути и других галактиках. Пульсары – это вращающиеся нейтронные звезды. Они излучают радиоволны с полюсов. Когда излученный пучок достигает Земли, мы можем наблюдать импульс. В межзвездном пространстве также есть молекулы, которые можно проследить по молекулярным линиям. Так, мы нашли межзвездные молекулы сахара. Возможно, в будущем мы сможем найти аминокислоту в пространстве!
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FAST Pulsar Exploration
qianlivan 2018-9-7 16:38
FAST Pulsar Exploration (2018年9月7日在大窝凼的讲稿) FAST stands for Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, with a diameter of 500 meter at the crown opening. It is currently the world largest single dish telescope. FAST situated in a Karst depression in southwest China. This Karst depression is close to a sphere, which minimize the excavation. It is higher than the Karst depressions around, which makes a good shielding of radio interference. There are several subsystems of FAST. This is the active reflector, which will form a parabola in observing. The feed cabin is suspended up in on the focus sphere. There are some instruments to measure and control the position and orientation of the feed cabin. During the observation, a source will cross the sky, so the feed cabin will move accordingly, the reflector will deform accordingly. Why bother to deform the reflector? Here you can see that the parallel light rays will be focused to a line by a spherical reflector. In order to focus to a point, or an Airy dot, a parabola is needed. Let’s watch a video to have a direct impression. The reflector is a parabola. You can see the balls all focus to the focal point. You can imagine the bell is the receiver. This is the real receiver. On the left, it is the ultra-wideband receiver. On the right is the 19-beam receiver. FAST have several science goals, including Galactic HI mapping, HI galaxy search, pulsar search, interstellar molecules. Now let’s have a look at pulsar studies. The title of this talk is ‘cosmic lighthouse’. Let’s have a look at lighthouse. Lighthouses are once critical to navigation. Look closely, you can see a rotating light beam. That’s why a lighthouse is pulsating. When the weather is cloudy all the time, and you do not have a GPS system, the most efficient way is building lighthouses. That’s the USSR have done in the 1960s. When you know the position of two lighthouses, by measuring the angle, you can get a rough estimate of the distance. Now we have GPS on a car, a ship and even in a cell phone. The principle is similar. But here the key point is an accurate clock. What is a clock? Something that is periodic can be a clock. In principle, a periodic pulsating star can be used as a clock for navigation. The only thing is that most pulsating stars are not accurate enough. But we have accurate clocks in the universe. They are pulsars. Looks like a lighthouse, right? Many people think that pulsars are neutron stars. Some people don’t agree. A pulsar is a small object. It is no larger then a big city. It is however weighted to a solar mass. Typically, it rotates several rounds per second. You can imagine the material in a pulsar is extremely dense. What happens? In normal matter, there are a lot of space in the atom. But for the matter in a pulsar (neutron star), the atoms have been squeezed together. This is possible in a collapse at the death of stars. Usually, stars rotate slowly. Have a look at our sun. How can slowly rotating stars becomes rapidly rotating pulsars? The key point is compression. The angular momentum is conserved, lower the moment of inertia, you get a higher rotating speed. Try this experiment. The first pulsar is discovered by Jocelyn Bell. She was just awarded the Breakthrough Prize. Light will disperse in a lens. The magnetic wave will also have dispersion in the interstellar medium. High frequency wave will arrive earlier. This is the signal of the first pulsar discovered by Jocelyn Bell. Where is the high frequency signal? Since we know how the wave is dispersed. We can extract the de-dispersed signal. Then we added up the de-dispersed signal, and got a pulse. That’s how we search for pulars. Now we have discovered several pulsars. Have a look at this website if you are interested. (http://crafts.bao.ac.cn/pulsar/fast_all_pulsar_list/) What to do next? We may use pulsar for navigation and search for gravitational waves.
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FAST and SETI
qianlivan 2018-7-20 11:29
FAST and SETI (COSPAR 2018报告讲稿) FAST stands for Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope. It is currently the world largest single dish telescope. FAST situated in a Karst depression in southwest China. This Karst depression is close to a sphere, which minimize the excavation. It is higher than the Karst depressions around, which makes a good shielding of radio interference. The control room is well behind that hill. FAST has several science goals. We are interested in the HI both insider and outside of Milky way. Pulsars are also the key science targets. FAST may also contribute a lot in the studies of interstellar molecules. FAST will also join VLBI network and work on fast radio burst (FRB), SETI etc.. I would like to mention, not like FRB, SETI is the science goal of FAST from the beginning. We plan to achieve these science goals simultaneously in a survey called commensal radio astronomy FAST survey (CRAFTS). The reflector of FAST is active, forming a 300-meter aperture parabola in real time. The feed support system is light-weight, weight only 30 tons. Since there is no solid connection between the feed cabin and the reflector, the measurement and control system play a crucial role. The feed will illuminate an area with 300-meter aperture at one time. When FAST is tracking a source, the feed and the illuminated area will move accordingly. In the initial design, there are 9 sets of receivers, covering 70 MHz to 3 GHz. Now it has been reduced to 7 receivers, since now we have a ultrawide band receiver, covering 270 MHz to 1.62 GHz. Now a new ultrawide band receiver is planned, covering about 560 MHz to 3.3 GHz. These two receivers are the ultrawide band receiver on the left and multibeam receiver with 19 beams on the right. The ultrawide band receiver worked from 2016 to April this year. Now the multibeam receiver has been installed. It is now under testing. Let’s have a close look at the 19-beam receiver. They are arranged in a hexagon pattern. The beams are numbered in this way. The receiver can rotate, so a uniform scan observation is possible. If the 19-beam receiver is rotated by 23.413 (about 23.4) degrees, we can make a uniform scan with 2 passes. This would be the scan strategy of the commensal survey. The backends of FAST are based on ROACH 2 or CRANE. In the future, the backends will be mainly based on ROACH2. The FRB and SETI backends are from Dan’s group. Since the 19-beam receiver has just be installed for about 2 months, the results we got comes mainly from the ultrawide band receiver. FAST has discovered more than 40 pulsars. Most of these pulsar are discovered during drift scan. There is a millisecond pulsar discovered by tracking a gamma ray point source discovered by the Fermi satellite. The period is found with FAST observation. Then the Fermi data are reprocessed to confirm this discovery. The list of new pulsars discovered by FAST can be found here on the CRAFTS website. Half of the FAST pulsars are discovered by single pulse search. Look at the one single pulse, the signal from pulsar, FRB are similar, maybe the SETI signal will be also similar. At least the data looks similar. For SETI observation, there is an observing window from 1 to 10 GHz. FAST covers part of this window. To have an idea of SETI signal, maybe we can have a look at the RFI on our Earth. This is the RFI signal on the FAST site. We can see they appear on some frequencies. This is because there is a committee to allocate the frequencies. Specific activities use specific frequencies. Let’s compare the pulsar, FRB and SETI signals. In general, the pulsar signal is wide band and periodic, with typical dispersion measure up to several hundred. The FRB signal is wide band and aperiodic, with larger DM up to several thousand. About the SETI signal, we are less certain about their properties. But they may have small dispersion measure, which make it difficult to distinguish them from the interference. Typically, there are 1 M channels in the SETI backend, with channel width of 5 Hz. It would be hard to cover the whole band of FAST. We have to either increase the channel number of the SETI backend or narrow down the frequency range to be searched. In the future, we plan to build some small dishes about FAST, expanding FAST to an array called FAST A+. This array is initially intended to localize FRB, but it may also help distinguish and better localize SETI signal. Although SETI is a science goal of FAST and we will have the SETI backend soon, we have to learn more about the properties of the SETI signal in order to dig it out of the pile of RFI signals.
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慎思之,明辨之-再谈FAST射电望远镜
热度 22 lxu2800 2016-10-26 08:46
慎思之,明辨之-再谈FAST射电望远镜 “ 满招损,谦受益—谈谈FAST射电望远镜 ”一文在观察者网和科学网发表后,收到不少批评和质疑。问题集中在三个方面:1)有些读者认为单口径大型射电望远镜的灵敏度远高于综合孔径射电望远镜,对二者作比较时不能只强调角分辨率而忽视灵敏度指标。2)单口径和综合孔径射电望远镜就像苹果和桔子,根本不应放在一起比较。3)FAST射电望远镜将来也可加入VLBA,起到综合孔径射电望远镜的作用。 有批评和争论是好事情。《四书》十九章云:“博学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之。”说的就是为学的几个递进的阶段。读者阅览博客即是“博学之”,留言和评论就是“审问之”。“博学”乃为学的第一阶段,跳越此阶段,为学则成无根之木、无源之水。“审问”为第二阶段,有所不明必追问到底,对所学加以怀疑是必须的。但是问后应有深入的思考,把分析和研究上升到理论层面,是为“慎思”,否则所学所问徒有虚表,难有实质之收获。“明辩”为第四阶段。学是越辩越明,不辩,鱼龙混杂,何分良莠。本文希望为读者“慎思”和“明辩”提供力所能及的指导和帮助。 何谓射电望远镜的灵敏度?简单地说,就是射电望远镜能够测量到最弱的电磁辐射的能力。具有大面积反射镜的单口径射电望远镜在单位时间里可以捕获相对更多的电磁辐射波,因而有较高的灵敏度,这一点没有错,但是认为它的灵敏度远胜于综合孔径射电望远镜,则是有点想当然了。 综合孔径射电望远镜成像是汇总了众多接收天线捕捉到的电磁辐射信号,因而它的成像灵敏度不仅取决于每个接收天线的几何尺寸,而且与整个系统中天线的总量有关。同时必须指出,综合孔径射电望远镜成像是由系统内所有天线中接收的信号分别作两两正交乘积得到的,由于接收机增益和热噪声的变化是非相干的,所以经过一段时间累积平均后这些干涉因素在正交乘积处理中可以抵消 。因而原则上,综合孔径射电望远镜成像的灵敏度是可以做得非常好的,尽管它的每个反射天线尺寸小于单口径射电望远镜,但只要系统中有足够多的反射天线,并且对观测目标作较长时间“曝光”,就可大幅提升灵敏度 。 我们再以综合孔径射电望远镜ALMA为例,它的成像灵敏度是非常高的,它可以探索130亿光年外新形成的河外星系团,而宇宙的边界大约是137亿光年,所以ALMA的成像灵敏度对于研究宇宙的边界和起源是完全合格的 。从这个层面上再来讨论角分辨率,可能更有说服力。 经简单计算可知,在130亿光年的距离上,ALMA可以分辨的光斑直径大约为10 3 光年,而中国的FAST大约为10 7 光年。我们又知道一般的星系团的直径大约在10 5 光年,如果把该星系团区划为100X100的方格,ALMA可以看到并辨别出其中每一个小格,因而基本上可以这样认为,ALMA能得到宇宙边缘上星系团的精细结构。但FAST不仅无法看清星系团内部的结构,它只能把该处的星系团和它邻近的星系团都看成了一个光斑而已。 如果把视线从宇宙的边缘收回来,去探索我们自己的银河系及其周围的星系团,ALMA的高清分辨率足可探测分析星系团里面各个恒星系的结构,研究行星的形成过程,发现更多的系外行星,这已经为ALML发表的最新研究成果所证实 。FAST对这些任务大多是无能为力的,它最多也只能看到整个银河系的大致结构而已。由此可知,综合孔径比单口径的射电望远镜的功能至少要高出一个层次。 综合孔径望远镜ALMA不仅望得远,而且看得清,它在多项重要性能指标上均大幅领先。ALMA的每只反射天线尺寸比较小,它可以放在活动支架上,因而可以有更宽广可变的仰望夹角。FAST的500米反射天线是固定的,只能靠吊在空中的馈源移动来改变观测的仰角,为此牺牲了反射天线的有效孔径,实则上FAST有效工作直径只有300米,有效面积丢掉了一半以上,才换来天顶角40度的天空覆盖(即入射光线于与地面法线间的夹角)。综合孔径望远镜系统中的反射天线还可以不断增加,系统的可扩展性和结构的可变性使得它可以适应多种科学探索任务,这更是单口径射电望远镜望尘莫及的。 还有些读者在评论中强调综合孔径射电望远镜与单口径射电望远镜作用不一样,是不同的系统,不能放在一起比较。这种观点也不正确。综合孔径射电望远镜和单口径射电望远镜都是射电望远镜,都是为射电天文科学研究服务的,把它们的性能作比较,可以更好地了解射电望远镜技术的发展趋势。实际上综合孔径射电望远镜是很容易转换成一台单口径射电望远镜工作模式的,硬件结构不变,只要调用系统的中央处理器中特定的软件系统就可以办到。换言之,综合孔径射电望远镜兼有两者的优势,单口径射电望远镜可以做的,它都能做,反之则不然,一台单口径射电望远镜是无法改成综合口径射电望远镜的。当综合孔径射电望远镜工作在单口径模式时,其反射天线等效面积可接近系统内所有天线面积之和,经过天线之间两两相交的信号处理,系统灵敏度远好于大尺寸单口径射电望远镜 。读到这里,一味地强调单口径射电望远镜的重要性和特殊性还有什么意义吗? 下面通过定量分析,给出综合孔径射电望远镜工作在单口径模式时的灵敏度计算公式。 从上篇的附件“radio interferometry.pdf”的公式(3)可推出: 考虑到噪声的存在,天线在 和 处接收到的电场强度分别为 和 , 由此得到的相干函数为 其中长时间噪声平均值 此结果指出相干函数 与噪声无关。 由此可得出清晰的射电源的强度分布函数 为 : 这里 表示为离散值,L是uv平面上天线阵中任取两个天线的组合的个数, 假定有N个天线,则有: 综合孔径射电望远镜也可以重组为单口径射电望远镜来使用, 这时候的成像在其中心位置,图像为: 其中 是一个平均的相干函数 , 且与噪声无关,恰如前面指出的那样, 而接收到的射电源的强度与N的平方成正比。 这里还提供一个附件 , 里面有综合孔径射电望远镜作为单口径射电望远镜来使用时两者的灵敏度的实际数据分析比较。 从更高的层次来看,提高单口径望远镜的性能必须建造越来越大的反射天线,而这势必在土木工程、金属材料和机械加工诸领域面临许多难以克服的障碍,而综合孔径射电望远镜技术则是另辟蹊径,使用现代先进的电子技术和信息处理技术突破这些瓶颈,使得系统的性能更优越、造价更经济合理。而这种做法实乃大势所趋,它发生在我们身边的方方面面,机械手表被电子手表代替,六分仪被GPS代替,航母上的蒸汽弹射会被电磁弹射取代。这已经成为一种主流趋势,浩浩荡荡无法阻挡,综合孔径射电望远镜必定是射电天文学技术今后发展的主流,这才是太空探索真正的利器。 以上所有分析只有一个目的,就是澄清综合孔径与单口径射电望远镜之间的区别和联系,但是这些分析和比较都是相对的,和一般意义上的,具体问题又必须具体分析。我没有丝毫贬损大型单口径射电望远镜的意思,相反,我对中国在建设500米大型射电望远镜中展露出来的非凡才智深感敬佩,我为中国的科技进步无比自豪。中国制造的500米射电望远镜是世界上最大的单口径射电望远镜,而且它不是简单的山寨放大版,它采用了多项最新技术。 中国的FAST是球面形射电望远镜,其主反射镜的支撑面做成球形,馈源被六根柔性悬索吊挂在离开主反射镜近百米的高空,馈源在同心球面移动时与主反射镜基准面保持等距,其定位精度达毫米级。而主反射镜做成分布可调单元确保对馈源的每个瞬间形成抛物面,使有效反射面上的所有入射电磁波以点方式聚集于馈源上。FAST是世界上最大最好的单口径射电望远镜,这一点毫无争议。 在我前文的读者留言和评论中有一条写得很好:“不用争,一切是以出成果的事实来说话,其他都是浮云!”我们必须明白,不管是哪一类射电望远镜,它们都仅是工具而已,它们都是为各种天文物理研究服务的。争论工具的好坏事实上没有太大意义,而认为只要有了最先进的设备就能在科研中领先世界,这样的观点更是错误的,我们千万不要掉入唯武器论的思维模式。能否作出一流科研成果的关键首先在人,而不是设备的好坏。即使搬一套ALMA到青藏高原,几年之内中国也未必能出多少惊人的成果,反之,认真用好FAST,中国倒有可能在天体物理探索中作出一些贡献。 还有一条评论写得更精彩:“不管如何,FAST是我国自己最大的射电望远镜,自己的孩子自己喜欢!”中国是一个正在走向世界超强的大国,建设一座世界最大的射电望远镜是完全应该的,从性价比来看也是非常值得。我觉得建设FAST更应该被看成是追赶而不是超越,说实话,中国在天文研究领域严重落后,有许多的空白需要填补,有不少的领域必须补课。中国必须脚踏实地,一步一步向前迈进,即使FAST并非顶尖天文观测设施,但它可能就是向前发展绕不开的坎。今天这个坎被填平,在此基础上,认认真真做研究,实实在在培养人,造就一支顶级的天文科研队伍才是正道。 从某种意义上看,中国贵州的FAST有点像中国海军的辽宁号航母,虽然辽宁号并非世界上最先进的航母,但中国的远洋海军必须从拥有辽宁号起步,它是中国海军自己的航母,中国一批又一批的海军舰载机飞行员将从这里生长起来并飞向远方,假以时日,辽宁号也会具有不可小觑的战斗力。同样道理,中国贵州平塘定会引来成群的金凤凰,它将成为中国天文研究人才的摇篮,中国天文物理的明日之星很可能将在那里冉冉升起。 说明:因篇幅关系,有关FAST射电望远镜加入VLBA的有关分析只能放到续篇之二,敬请继续关注批评。 https://www.mpifr-bonn.mpg.de/948285/Possenti_Why_Single_Dish.pdf (页面13/42) http://www.phys.unm.edu/~gbtaylor/astr423/s98book.pdf (请阅读该书的第九章,尽管书中的理论分析的模型与工程实际系统并不完全一致,但结论大致上是正确的。特别注意公式 9-19 ) http://alma.mtk.nao.ac.jp/e/faq/faq02/ Astronomers found a sign of a growing planet around TW Hydra, a nearby young star, using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Based on the distance from the central star and distribution of tiny dust grains, the baby planet is estimated to be an icy giant, similar to Uranus and Neptune in our Solar System. This result is another step for understanding the origins of various types of planets. 附件由好友王博士提供,里面有综合孔径射电望远镜作为单口径射电望远镜来使用时两者的灵敏度的实际数据分析比较。 灵敏度数据分析.pdf
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满招损,谦受益—谈谈FAST射电望远镜
热度 35 lxu2800 2016-10-14 08:53
满招损,谦受益—谈谈FAST射电望远镜 中国成功建造世界最大射电望远镜的新闻令海内外华人莫不欢欣鼓舞之至。数月前,当500米直径的主反射镜拼装完工时,我在中国科学网发表了博文: 那是一只望穿深空的天眼 ,我对中国工程技术飞速进步的由衷敬佩和对从事该项工程全体工作人员的深深敬意,全都倾注在了这篇短文之中。 但是,在这几天的一片欢呼声中,有一种倾向值得引起注意。有些媒体报导 :中国建最牛“天眼”领先国际20年;外国科学家参观后也感到很震撼,“他们都很期待我们这个全世界最先进的天文设备能成为人类观测外太空的利器,有新的科研成果出来。”;人们开始幻想,它能否听到“天外来客”的声音?我认为这样的报道违背了实事求是的原则,这种宣传手法有些像拙劣的整容手术,结果往往恰得其反,使原本光辉的印象蒙尘。我觉得有必要拂尘明镜,把事实真相还给大众。 射电望远镜和所有的望远镜一样,把远处相邻物体区分开来的能力是它最重要的性能指标。这种分辨本领一般用成像系统对两个可辨目标之间的最小张角来表示,亦称角分辨率。角分辨率不变,观察物越远,望远镜的最小分辨间距变大,所以当观察研究的天文对象越遥远,我们就必须使用角分辨率更小的射电望远镜,否则就无法得到研究对象的精细结构。通常情况下,望远镜的角分辨率基本上决定了其“望远”的本领。 物理学告诉我们光波就是波长较短的电磁波,因而射电望远镜和光学望远镜实际上就是同一类工具,它们检测的只是不同波长的电磁波。这有点像体温计和气温表,它们的差别就是测量温度的不同的区域而已,在下面的讨论中,除非特别注明,我们把射电和光学望远镜都统称为望远镜。望远镜的角分辨率是由电磁波在其aperture(或antenna dish)上的衍射特性决定的,它是可以根据瑞利公式计算出来的(参见图1)。望远镜的角分辨率与望远镜的主反射镜的直径成反比,而与工作的波长成正比,角分辨率越小越好。 P1)由于光的衍射特性的存在,导致点光源形成艾里斑,重叠以后就难以分辨。 贵州平塘的FAST,其硕大的主反射镜有效孔径为300米,工作波长在0.3m附近,而一般的光学望远镜工作波长在可见光波段,最长不会超过800nm (即0.0000008m),那么它与直径为多少的光学望远镜的角分辨率相当呢?这是一道小学生算术题, (300/0.3)*0.0000008=0.0008m,答案是小于1毫米。这个结果令人十分伤心,市场上的大众化商业望远镜的孔径至少也有十几毫米吧。换言之,贵州平塘的FAST射电望远镜的角分辨率远不及业余爱好者的望远镜,想依靠它作出惊人的科学发现可能有点不切实际。 事实上FAST射电望远镜的角分辨率还不及我们人的肉眼,一般人眼的瞳孔直径为3—9毫米,人眼的角分辨率比FAST也要强几倍。顺便提一下,千万别小看了人眼的望远能力。著名天文学史家席泽宗先生指出:中国的天文学家甘德在公元前四世纪中叶凭肉眼可能就观测到了木星的卫星木卫二。甘德的发现早了伽利略近两千年,这可能也是一个奇迹吧 。 一般来说,射电望远镜的角分辨率都比较差,因为它的工作波长太长,即使把主反射镜做到几百米之巨,其角分辨率仍难以与光学望远镜媲美,但是我们知道反射镜表面的加工精度一般与工作波长同一量级,相比光学望远镜而言,射电望远镜的反射镜的制作要容易做得多,所以直径也容易做得很大。“有无相生,难易相成,长短相较,高下相倾”这世上实在也没有捷径可走的,总体而言,平衡和公平是天道的主旋律。 射电望远镜把工作波长设在厘米、毫米和亚毫米波段首先是为了天文研究的需要,许多温度不高的天体的电磁辐射就在这个波段。这个波段的电磁波的波长至少是可见光的数万倍,现代好一点的光学望远镜的主反射镜的直径都在数米以上,如果要让射电望远镜赶上这个角分辨率水准,其主反射镜的直径至少要数万米,即几十公里之巨。在工程上制造和控制这样的主反射镜已经成了不可能完成的任务,说得难听点,FAST这样的超大型单口径射电望远镜有些像侏罗纪的恐龙,它们未来的发展前途十分有限。 除了增大主反射镜的直径,改善射电望远镜的角分辨率是否还有其它途径?“山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村。”七十年代由英国开始研制的综合孔径射电望远镜可以大幅提高系统的角分辨率和接收灵敏度。总的思路是“众人拾柴火焰高”,使用分散的多台射电望远镜同时接收射电信号,然后把信号汇总交计算机分析比较,产生高分辨率的天体射电幅射图象。这种发动群众、依靠群众的思维方式和处事原则才具有真正的普世价值。 ALMA(阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列望远镜)是世界上功能最强大、技术最先进的综合孔径射电望远镜系统。这个由欧洲、美国、加拿大、日本、智利等国家和地区合作建设的射电望远镜阵列共有54台12米直径和12台7米直径的射电望远镜组成,散布在南美智利的5千米的高原平台上。整个系统的建设化了十多年,总投资14亿美金,被誉为二十一世纪的金字塔工程。整个ALMA系统的角分辨率比哈勃太空光学望远镜还要强五倍!它的角分辨率比中国的FAST大概强数千倍。 图2这张ALMA的全景照十分震撼人心,这几十台既庞大又精密的射电望远镜散布在高原荒野之中,最大间距约十六公里。它们各自的位置可以根据研究项目作相应的调整。把ALMA放在南半球这块远离文明的5千米高原上是经过深思熟虑的。ALMA的工作波长在0.3—9毫米波段,从图3中可看出大气层对这个波段的电磁波的吸收和干涉十分严重。建在5千米高原的ALMA超越了大气层最紧密的底层,把大气的不利影响減至最少。智利查南托高原的阿塔卡马沙漠是世界上最干燥的地方,这样的地理位置意味着每个夜晚都是较好的观测天气。据统计,在1570至1971年间,这里没有明显的降雨过程,对望远镜的维护极为有利。 P2) P3)横轴是电磁波的波长,纵轴是大气层对电磁辐射的吸收率,曲线显示不同电磁辐射穿透大气能力与波长的关系。从图中可看出,中国FAST的工作波段处在大气层的电磁辐射窗口,因而可建在较低的海拔高度上,而工作在毫米和亚毫米波段的ALMA必须建在高海拔地区。 ALMA选址在远离文明的智利高原上也可避开人为的电磁辐射污染。建在南半球的天文站有得天独厚的视角优势,它更利于对银河系核心区域的观察研究。当然,相对稳定的政治环境,也是ALMA选择智利的一个重要原因。智利对ALMA项目最为关注起劲,大概也是整个计划最大的蠃家。 在接近西藏的唐古拉山口高度的那块荒原上,在南半球离天最近的地方,建设一座规模如此巨大的射电望远镜阵列必定面临一系列工程挑战。整个项目的管理和技术中心设在海拔2900米,所有的设备先汇集于此,经装配调试后再运送至5千米的高原平台(见图4)。直径12米的射电望远镜连支架和附属设备每台重一百吨!为此由德国的专业设备公司设计了特种的高原重载车辆,这些车辆不仅用以输送射电望远镜到5千米的高原平台,而且也负责在整个阵列系统中调整和变换每个射电望远镜的精确位置(见图5)。图片6显示的就是特种运输车辆驮载着百吨重的射电望远镜在亘古的旷野上艰难地往上挺进,看着这张照片,我为人类探索大自然的不屈不挠的精神深深地感动。 P4) P5) P6) 由天线阵列的信息理论可知,如果分布在高原上的ALMA系统中所有射电望远镜都对准同一片星空,每台射电望远镜收到磁辐射信号后先作预处理,讯号经数字化后由光纤送至海拔2900米处的技术中心。各路讯号汇总后送大型计算中心处理(图片7),那么经傅里叶变换后即可直接得到天体的电磁辐射图象 。对综合孔径和单口径射电望远镜都看得见的天体而言,在每个单口径射电望远镜所观测到的光斑内,综合孔径射电望远镜都能给出-幅精细結构图像,这是单口径射电望远镜完全无能为力的。 P7) P8) ALMA投入运行两年多,已经产生了一批重大成果,它必将会对天文物理的研究产生难以估量的贡献 。这里是ALMA在今年九月发布的最新图片(图片8),在非常年轻的恒星(TW Hydrae)的四周的星尘环中间有明显的间隙,在靠近中心的轨道中很可能有一颗海王星大小的系外行星,而且很可能是与海王星一样的巨大的冰球体,这个发现对认识行星生成机制将会有深远的影响 。 作个小结: 1)综合孔径射电望远镜是射电天文观测技术发展的主流,它们才是天文物理研究的利器。 2)“尺有所短寸有所长”,综合孔径射电望远镜技术也并非完美无缺,单口径射电望远镜也不是一无长处,也许不久的将来它们可以联网合作,优势互补。 3)中国的500米单口径射电望远镜具有极高的灵敏度,由于采用多波束扫描,巡天速度效率高,它工作在厘米波段,受大气干涉影响小,它可能会在一些特定的天文研究领域中发挥积极作用。 4)近日看到有这样的评论:FAST的高灵敏度使其能测到一个人在月球上打手机的信号。我们不仿就此作些估算。 假定手机信号frequency是2GHz,它的波长约是15cm,相应的FAST的角分辨率约为0.15/300=0.0005 弧度,以此乘以地月之间的距离38万公里,不难得出0.0005 *380000=190公里 。 这結果指出如果有两个以上的人在190公里的范围内从月球上打手机,FAST测到的信号是无法区分到底是一个还是多个人在打手机的。 5)事实上,中国参与并主导的国际SKA项目就是要建设世界最大的综合孔径射电望远镜系统,这方面中国也有长足的进步,只是少为人知而已。综合孔径射电望远镜的基础是电动力学和信号处理技术,中国不缺这方面的人才和经验,我对SKA项目的未来充满信心。 由于篇幅关系,对以上几点结论的详细介绍和分析将放在本文的续篇中。也希望有兴趣和有一定理工基础的读者能辛苦一下,读一读本文的附件 ,它是续篇所有分析和讨论的基础。这个附件是我的好友王博士特地为本文精心制作的。为了更好更全面地理解综合孔径射电望远镜,我曾向王博士多次讨教,在学习和讨论中产生了几十页之多的草稿,最后几经修改,遂成此附件。该文从电动力学最基本的概念出发,导出了综合孔径射电望远镜的工作原理,文章推理严谨、文字简明扼要,综观各种教科书和网上文献无出其右了。谨此对好友王博士表示深深的感谢。 本文是应【观察者网】约稿而作,首发于观察者网9月25日首页。 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/8/353470.shtm Zezong, Xi, The Discovery of Jupiter's Satellite Made by Gan De 2000 years Before Galileo, Chinese Physics 2 (3) (1982): 664–67. 感谢史𣇈雷博主和 Spherical 的评论和批评。 添加一篇重要文献:中科院自然科学史研究所刘金沂在1981年第7期《自然杂志》发表了《木卫的肉眼观测》。 文中提到的木卫二更可能是木卫三。 插入附件 radio interferometry.pdf http://www.almaobservatory.org/en/press-room/press-releases Astronomers found a sign of a growing planet around TW Hydra, a nearby young star, using the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). Based on the distance from the central star and distribution of tiny dust grains, the baby planet is estimated to be an icy giant, similar to Uranus and Neptune in Solar System. This result is another step for understanding the origins of various types of planets.
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我眼中的FAST射电望远镜
热度 15 lunarsoil 2016-7-4 11:16
我眼中的 FAST 射电望远镜 不管人类的想象力多么无边无际,宇宙之奇妙,仍然远远超乎我们的想象 。 一、什么是射电望远镜? 我们对宇宙的研究,在某种程度上就像是盲人摸象,摸的地方多了,这头大象的形状也就慢慢清晰了。 从空间上,天文观测要对宇宙的各个天区进行观测,天文学上称之为巡天观测。 从观测波段上,现在的天文学已经发展到了全波段天文学。观测波段从高能的 X 射线、伽马射线,到紫外、可见、近红外和红外观测,再到波长更长的微波和无线电波的观测(天文学上称之为射电观测)。只有获取的宇宙信息越全面,我们才能得到客观的宇宙认知。 为了探索宇宙,天文学家需要研制各种各样的望远镜来观测宇宙。所有的望远镜,其实都是对电磁波谱各波段的观测,这些望远镜的主要区别在于观测波段的不同。有些望远镜虽然工作在同一波段,但工作原理不同。 说到射电望远镜,大家一定会迷惑什么是射电。射电其实是天文学中的独有说法,其他学科里通常叫微波和无线电波。手机信号、家里用的微波炉,都是工作在射电波段,波长从厘米波到米波。收音机工作的无线电波,也是工作在射电波段。 FAST望远镜模型 二、为什么叫FAST望远镜? 天文望远镜的学术名称一般都很复杂,为了有利于传播,所以往往会取一个通俗好记的名字。FAST望远镜的学术名称是500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radioTelescope),英文缩写是FAST。国家天文台建设的另一个大科学工程是位于河北兴隆雾灵山顶的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(Large Sky Area Multi-Object Fiber SpectroscopicTelescope ),英文缩写为LAMOST,是一架视场为5度横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜,现在的正式名称为郭守敬望远镜。 三、FAST望远镜算是完工了么? FAST 望远镜 (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,英文简称刚好是FAST)从1 994 年开始选址论证,经过 13 年的预先研究, 2007 年立项, 2011 年开工建设, 2016 年 7 月 3 日主体结构完工。 FAST 望远镜主体结构完工后,还需要进行软件安装、调试、试运行、数据处理和分析研究,要开展业务化常规观测还有相当长的路要走。这就像我们盖房子时结构封顶一样,还需要进行内部装修和设备安装、调试,时间还非常长。 曾经宁静的小村庄 台址开挖 圈梁施工 反射面板铺设 主体结构完工 四、FAST望远镜的科研用途有哪些? FAST 望远镜主要用于研究脉冲星、中性氢、黑洞吞噬小天体、星体演化、外星文明搜寻等。 FAST 望远镜在深空探测领域也有重要用途,当深空探测器飞行距离越来越远,地面接收和发送的信号强度越来越微弱,需要有强大的地面望远镜来接收这些微弱的信号,给我们发来那些遥远天体上的山河湖海、火山、大气、极光和闪电等。 五、与国内外同类望远镜相比有什么优势? FAST 望远镜的标准名称是 500 米口径球面反射射电望远镜,是世界上最大的单口径球面射电望远镜。德国波恩有一个 100 米口径的大型射电望远镜, FAST 望远镜的观测灵敏度将比它提高 10 倍。 在此之前,美国在波多黎各建设的直径 310 米的阿雷西博射电望远镜是世界上最大的。但今年 6 月传出消息,由于运营经费不足,阿雷西博望远镜面临关门的命运。 阿雷西博射电望远镜的面板是不能动的,而 FAST 射电望远镜的反射面由 2000 多块面板组合而成。每一块面板下安装有一个促动器,可以调整面板的观测角度,将一部分面板组合成等效口径 300 米的抛物面望远镜。 除此之外,上海佘山有一个 65 米直径的天马望远镜,北京密云有一个 50 米的射电望远镜,云南昆明有一个 40 米的射电望远镜,也都是中科院天文台系统运行的射电望远镜。 六、FAST望远镜为何选址贵州? FAST 望远镜选址在贵州省黔南州平塘县克度镇金科村大窝凼地区,是一个典型的喀斯特岩溶洼地。大窝凼的地形就像一个完美的球面,使 FAST 望远镜建设可以减少大量土石方开挖工程,节约研制建设经费。 七、FAST望远镜这么大的集雨面积不怕被淹吗? FAST 望远镜的每一块面板都是镂空的,雨水可以快速渗漏。集中到望远镜底部后就可以通过地下暗河排出,这也是 FAST 望远镜选址喀斯特地区的重要优势。喀斯特地区洞穴系统十分发达,地下河网密布,有利于快速排水。 八、FAST望远镜对工程技术有何推动? FAST 望远镜通过 50 根梁柱托起巨大的反射面,望远镜的直径为 500 米。在圈梁上走一圈,需要半个多小时。其反射面的面积相当于 30 个足球场。 作为一个国家投资 12 亿人民币建设的一个大科学工程, FAST 望远镜的建设过程中,克服了大量的工程建设难题,包括结构、力学、建筑、土石方开挖、抗疲劳索网、轻型面板设计和制造。这些技术的研发并向国民经济其他领域的转移,将推动传统产业的转型升级。 同时,作为一个涉及科学、工程、技术、管理等众多领域的大科学工程,长期、稳定、可靠运营,确保获得科学产出,是 FAST 望远镜面临的下一个重要考验。 九、FAST望远镜对科普和旅游有何意义? 有的人会问,为什么要建这么大的望远镜,耗资那么大,到底有什么用? 数理化天地生,被称之为六大基础学科,我们从小就被教导“学好数理化,走遍天下都不怕”。但实际上,我们长期忽视天文学科的发展。绝大多数中小学至今没有开设天文课。如果缺少对整个宇宙的认知,我们很难树立起完整、正确的世界观和宇宙观。 好莱坞大片里,经常会看到大尺度的大科学装置作为科幻片的拍摄现场或背景。美国在波多黎各的阿雷西博望远镜,曾经作为《 007 黄金眼》、《超时空接触》、《异种》等大片的拍摄场地。所以, FAST 望远镜除了履行其科研功能,获得新的科学发现外,也是科学普及、科幻创作、摄影、旅游的极佳场所,我相信未来有大量的科普作品、科幻片、天文摄影是以 FAST 望远镜为背景来展开的。 本文为应科学网邀请写科普贴,是根据本人理解完成,仅为个人观点。
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中国将探测地外文明
热度 1 sheep021 2014-4-21 20:14
中国建世界最大射电望远镜 至少领先世界20年(全文) 资料图:建成后的效果图 日前,中国正在建造的世界最大口径球面射电望远镜工程在贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县实现圈梁顺利合龙。该望远镜口径为500米、占地约30个足球场大小,项目预计2016年9月建成 在FAST项目建成之前,美国的300米口径Arecibo望远镜是世界最大。FAST项目的出发点就是要比美国的这个望远镜更加灵敏。FAST项目与美国的望远镜都是整体固定在地面上,但中国的望远镜500米半径的球面是由4400多面主动反射单元构成,这一个个小的反射单元可以进行对焦。因此,FAST的灵敏度可达Arecibo望远镜的2倍,巡天速度是它的10倍。 这么巨大的望远镜能用来做什么,能用来探测外星人吗?面对《环球时报》记者的提问,李菂回应说,这只是FAST的一个科学目标,但不是主要科学目标,和发现“上帝粒子”的设备一样, FAST的主要目标不是在短期内实现经济效益,而是要探测宇宙中的遥远信号和物质,比如宇宙中间的气体、微波激光以及脉冲星,实现对宇宙物质成分和演化历史最基本的理解,满足人类对于未知宇宙的好奇心。同时,FAST也可以被用于探测地外文明和生物。 FAST预计对国际同类设备至少可以保持20年以上的领先地位,目前国际上没有其他国家计划要造同类的大型射电望远镜。FAST是中国很难得具有世界领先技术指标,又有自主知识产权的科学大设备. 2 传中国空天战机高速试验 可打卫星重复使用 据媒体报道中国航天重点型号,圆满完成高速自主进场着陆飞行试验,突破了高速自主进场着陆的核心关键技术,据悉在该型号的研制过程中,福建龙溪股份有限公司积极承担相关协作,配套任务,其研制的航天关节轴承被运用于航天某重点型号,中国航天科技集团公司第一研究院特意向龙溪公司发出纪念牌匾和感谢信。 分析认为此次披露的航天某重点型号,就是神秘的“神龙”轨道飞行器,神龙轨道飞行奇雷斯与美国X-37B轨道飞行器。是一种可重复使用的空间飞行器,轨道飞行器一般由运载火箭发射升空,进入预定轨道后可执行侦查监视和反卫星等任务,完成任务后可自主返航水平着陆。 习总号召要建设强大的“空天一体化”,保卫国家安全,这地方台开始讲空天飞机……
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走进fast台址
zgyin 2012-12-8 00:05
走进fast台址
2012年10月29日至11月3日 “射电天体物理前沿及FAST早期科学”期间 有幸参观了 fast台址 。fast是目前正在建设的世界最大的单口径望远镜,将在未来20至30年保持世界一流地位。我的另一篇博文简要的介绍了 fast的创新点。 感谢国家天文台研究生潘之辰同学用相机记录下了这重要的时刻
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fast runmean smoothing
热度 1 gwangcc 2012-11-1 16:37
function Y = runmean(X, m, dim, modestr) ; % RUNMEAN - Very fast running mean (aka moving average) filter % For vectors, Y = RUNMEAN(X,M) computes a running mean (also known as % moving average) on the elements of the vector X. It uses a window of % 2*M+1 datapoints. M an positive integer defining (half) the size of the % window. In pseudo code: % Y(i) = sum(X(j)) / (2*M+1), for j = (i-M):(i+M), and i=1:length(X) % % For matrices, Y = RUNMEAN(X,M) or RUNMEAN(X,M, ,1) % % - 1.33 2 3 4 4.67 % runmean( ,1,'mean') % % - 2 2 3 4 4 % runmean( ,1,1) % dimension 1 is larger than 2*(M=1)+1 ... % % - 2 4 6 8 10 % runmean(ones(10,7),3,2,'zero') ; % along columns, using mode 'zero' % runmean(repmat( ,5,1),2,2) ; % % - all NaN result % A = rand(10,10) ; A(2,7) = NaN ; % runmean(A,3,2) ; % % - column 7 is all NaN % runmean(1:2:10,100) % mean % % - 5 5 5 5 5 % % This is an incredibly fast implementation of a running mean, since % execution time does not depend on the size of the window. % % See also MEAN, FILTER % for Matlab R13 % version 3.0 (sep 2006) % Jos van der Geest % email: jos@jasen.nl % History: % 1.0 (2003) created, after a snippet from Peter Acklam (?) % 1.1 (feb 2006) made suitable for the File Exchange (extended help and % documentation) % 1.2 (feb 2006) added a warning when the window size is too big % 1.3 (feb 2006) improved help section % 2.0 (sep 2006) working across a dimension of a matrix. % 3.0 (sep 2006) several treatments of the edges. % Acknowledgements: (sep 2006) Thanks to Markus Hahn for the idea of % working in multi-dimensions and the way to treat edges. error(nargchk(2,4,nargin)) ; if ~isnumeric(m) || (numel(m) ~= 1) || (m 0) || fix(m) ~= m, error('The window size (M) should be a positive integer') ; end if nargin == 2, dim = ; else modestr = 'edge' ; end end modestr = lower(modestr) ; % check mode specifier if ~ismember(modestr,{'edge','zero','mean'}), error('Unknown mode') ; end szX = size(X) ; if isempty(dim), dim = min(find(szX1)) ; end if m == 0 || dim ndims(X), % easy Y = X ; else mm = 2*m+1 ; if mm = szX(dim), % if the window is larger than X, average all sz2 = ones(size(szX)) ; sz2(dim) = szX(dim) ; Y = repmat(mean(X,dim),sz2) ; else % here starts the real stuff % shift dimensions so that the desired dimensions comes first = shiftdim(X, dim-1); szX = size(X) ; % make the rest of the dimensions columns, so we have a 2D matrix % (suggested of Markus Hahn) X = reshape(X,szX(1), ; % the cumsum trick (by Peter Acklam ?) Y = cumsum(Y,1) ; Y = (Y(mm+1:end,:)-Y(1:end-mm,:)) ./ mm ; % reshape into original size Y = reshape(Y,szX) ; % and re-shift the dimensions Y = shiftdim(Y,ndims(Y)-nshifts) ; end end % ===================== % CODE OF VERSION 1.3 % ===================== % function Y = runmean(X,m) ; % % RUNMEAN - Very fast running mean filter for vectors % % Y = RUNMEAN(X,M) computes a running mean on vector X using a window of % % 2*M+1 datapoints. X is a vector, and M an positive integer defining % % (half) the size of the window. In pseudo code: % % Y(i) = sum(X(j)) / (2*M+1), for j = (i-M):(i+M), and i=1:length(X) % % % % If the total window size (2M+1) is larger than the length of the vector, the overall % % average is returned. % % % % Example: % % runmean(1:10,1) % - % % % % % % This is an incredibly fast implementation of a running average, since % % execution time does not depend on the size of the window. % % % % X should not contains NaNs (a NaN will result in a all NaN result) % % At both ends the values of Y can be inaccurate, as the first and last % % values of X are used multiple times. % % % % See also MEAN % % % for Matlab R13 % % version 1.3 (feb 2006) % % Jos van der Geest % % email: jos@jasen.nl % % % History: % % 1.0 (2003) created, after a snippet from Peter Acklam (?) % % 1.1 (feb 2006) made suitable for the File Exchange (extended help and % % documentation) % % 1.2 (feb 2006) added a warning when the window size is too big % % 1.3 (feb 2006) improved help section % % error(nargchk(2,2,nargin)) ; % % sz = size(X) ; % % if numel(sz) ~= 2 || (min(sz) ~= 1), % error('X should be a vector') ; % end % % if any(isnan(X)), % error('NaNs cannot be dealt with') ; % end % % if ~isnumeric(m) || (numel(m) ~= 1) || (m 0) || fix(m) ~= m, % error('The window size (M) should be a positive integer') ; % elseif m == 0, % Y = X ; % return ; % end % % mm = 2*m+1 ; % % if mm = prod(sz), % % if the window is larger than X, average all % warning('Window size is larger than the length of the vector.') % Y = repmat(mean(X),sz) ; % else % % the cumsum trick ... % Y = ; % Y = ; % Y = (Y(mm+1:end)-Y(1:end-mm)) / mm ; % Y = reshape(Y,sz) ; % end
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我对fast三点创新的理解
热度 1 zgyin 2012-9-14 12:00
我对fast三点创新的理解
1、利用独一无二的贵州天然喀斯特洼地台址 卫星扫描的时候,选择了一些候选台址,然后实地考察,认为贵州平塘大窝凼(大窝凼在土语里面的意思就是“一口大锅”),这口锅又大又圆,节省了建造球面射电望远镜的工程量,还有当地喀斯特地貌,容易渗水,最终敲定了在那里建世界上最大射电望远镜,伴随着射电望远镜的建造,贵州正在成为世界瞩目的焦点。我也在做一些与射电天文相关的一些工作,主要是中性氢(HI)和天文数据处理工作,希望经过几年的积淀,等到fast建成以后,能够做一些比较前沿性的科学工作。 (原始场景) (2011年11月fast现场) (2016年建成) 2、应用主动反射面技术在地面改正球差 fast实际进行观测的时候,要把调节成口径300米的抛物面,因为抛物面把光聚焦到一个点。 fast口径500米,半径300米,因为半径不同的球,可以切出来相同口径的部分球面,所以要把fast的口径和半径说清楚 3、轻型索拖动馈源支撑将万吨平台降至几十吨 arecibo是固定球面天线,一束平行光照过来,经过球面反射后不是聚焦到点,而是聚焦成一条线,arecibo采用球面改正的方法,把光线聚焦到一个点,这样大大增加了馈源的重量。 fast采用主动反射面技术,观测的时候,调整为口径300米的抛物面,把光聚焦到一点。这要大大减轻的馈源的重量。fast吊索跨度那么大,如果没有这么好的想法,是不好建设的。
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Gao Tie and subway in Beijing
热度 2 zuojun 2012-5-2 19:46
I was not so keen on taking the fast train from Hangzhou to Beijing (6.5 hrs), but my brother preferred train. Considering taking subway Line #4 between Beijing South and Beida, I gave in. The train ride was fine, except for the food: RMB30 for a set, no other choices. I didn't want to try it (and ended up wasting half). Getting on Subway Line #4 was easy, as long as you have two 1-yuan coins. A young man had RMB100, and had to beg someone to get him a ticket. I think a manned station to exchange bills would be necessary (since labors in China are not expensive), or the ticket machine should take credit cards. I thought the 2-yuan subway ride was way too cheap. In Guangzhou, the cost is determined by distance. Not sure what kind of systems other cities use. The visibility got worse and worse as the train traveled north. But, I could see light blue sky over Beida, and the moon. I feel lucky.
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Life on a super-highway in China
热度 3 zuojun 2011-12-11 09:45
That's how I feel about today's life in China. Six friends met for dinner on Friday, and three of them needed to go to work on Saturday! I am not talking about scientists who work every day. These three people are doctor, law-enforcement personal, and senior engineer. Stress can cause real harm, if it's not dealt with. I am sure you all know this. Everywhere I visited, my host was on the move. In Guangzhou, my host had to leave for a conference in the US the very next day after our conference ended. In Nanjing, my host stayed for my one-day visit, and left for Beijing the very next morning. I lectured at the NUIST on Friday; my host there was called away in a short notice and called me that morning on his way to the airport, to make sure I was on my way for my lectures. I was going to visit the Shenzhen Campus of Tsinghua University on the 13th, and just received an e-mail to move my visit to the 12th because my host has a meeting on the 13th, again in a short notice. How do you guys (gals) handle life like this? Don't you want some peace and time for yourself?
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Fast train, slow taxi
热度 1 zuojun 2011-12-10 20:40
It took three hours to travel from Nanjing to Hangzhou by a fast train (for RMB218). (I heard the travel time will be less than two hours when Gao Tie is finished.) However, it took 40 mins to get a taxi at Hanghzhou Station, where people mountain people sea was more than being accurate. Thanks to bad traffic on a Saturday afternoon around 4pm (why?), I was freezing to death in a taxi filled with stinky cigarette odor.
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New Policies for Geophysical Research Letters (GRL)
zuojun 2010-9-21 08:38
If you are a member of the AGU (American Geophysical Union), you probably have heard about or published in GRL (Geophysical Research Letters) . Recently, I heard complaints from colleagues about how their manuscripts are returned without being reviewed . I was surprised: Really? Now, I learned the truth. Here is why, and more about GRL (with my notes): New GRL policies ps. I suppose that there are things Chinese letter journals can learn from GRL, but hopefully not everything.
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[转载]Research Front Maps - May 2010
xupeiyang 2010-5-7 15:47
请见 http://sciencewatch.com/dr/fmf/2010/10mayfmf/ May 2010 From the database of Essential Science Indicators SM , this list of Fast Moving Fronts has been generated by a comparison of the data sets for the current period of January 2004-December 31, 2009, and the previous period of November 2003-October 31, 2009 (sliding 6-year period). Research Front Maps may be selected from the current Research Front set that are relevant to the core papers of the chosen field. View them at the site-wide listing of all Research Front Maps (sorted by field. This symbol indicates that the author(s) of the comments below have also sent along accompanying images/descriptions of their work.
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