中国のスカイアイは「より多くの成果を出す」「良い結果を出す」段階に入った

【新華社貴陽12月20日】2021年FAST運用開発センター年次総括会議が20日午前、貴州省平塘県の中国天眼（FAST）観測基地で開催された。

FAST望遠鏡を用いた観測によって生み出される科学的成果は、継続的に生まれていると理解されています。 FAST は 509 個のパルサーを発見しました。これは、世界中の他のすべての望遠鏡によって発見されたパルサーの総数の 4 倍以上です。

12月19日に撮影された「チャイナ・スカイ・アイ」の全景（メンテナンス中に撮影、ドローン撮影）。写真提供：新華社記者 欧東区

さらに、2021年にはFASTデータに基づいた論文2本がネイチャー誌に掲載され、さらに1本がアメリカ天文学会によって2021年のハイライトの一つに選ばれました。

現在、FAST データに基づいた 120 件以上の科学研究論文が発表されており、590 件以上引用されています。次の段階では、FAST運用開発センターは、電波天文学技術国家重点実験室の建設を加速します。

12月19日に撮影された「チャイナ・スカイ・アイ」の全景（メンテナンス中に撮影、ドローン撮影）。写真提供：新華社記者 欧東区

中国科学院院士で国立天文台台長の張金氏は「パルサー探索に関して、FASTは2年以上にわたり500個以上のパルサーを発見した。FAST運用チームはFASTをより効率的に運用し、FASTを高水準の運用状態に保ち、高速電波バーストを含む中性水素探査の詳細な研究を実施し、これらの最先端の科学分野で大きな進歩を遂げるよう努める」と述べた。

12月19日に撮影された「チャイナ・スカイ・アイ」の全景（メンテナンス中に撮影、ドローン撮影）。写真提供：新華社記者 欧東区

大衆日報によると、「中国天眼」の直径は500メートル、発射面積は標準的なサッカー場30個分に相当する。ミネラルウォーターを入れれば、世界の70億人一人当たり平均4本分になります。どれくらい遠くまで見ることができますか？宇宙の果てに近い、130億光年以上の領域を見通すことができます。現在、「チャイナ・スカイ・アイ」は世界最大かつ最も感度の高い単一開口電波望遠鏡です。

パラボラアンテナの原理を利用して地球から宇宙からの信号を聞く

「China Sky Eye」の学名は500メートル口径電波望遠鏡です。目に見える光を通して観測する一般的な光学望遠鏡とは異なり、電波望遠鏡は宇宙からの目に見えない電波を受信することで宇宙を「観測」します。私たちの上にある厚い大気には 2 つの「窓」があります。1 つは可視光の窓で、人類はこれを通して何千年もの間宇宙を観察してきました。もう1つはラジオウィンドウです。 1930年代、電波天文学の先駆者カール・ヤンスキーが偶然、天の川銀河の中心からの信号を発見し、電波天文学の幕が開き、宇宙の起源と生命の起源に関する人類の理解が進みました。

「チャイナ・スカイ・アイ」は、今日の電波天文学における「強力なツール」です。その基本原理は何ですか?平行な電磁波は放物線で反射された後、焦点に収束することは誰もが知っています。電波望遠鏡は、反射面を放物面状にし、焦点位置に受信機を設置することで、天体から放射される電磁波信号を集めて天体観測を行うことができます。パラボラの面積が大きいほど、より多くの信号を集めることができ、より暗く遠くの天体も検出できるようになります。そのため、カール・ヤンスキーが偶然に電波天文学の観測窓を発見して以来、各国の天文学者たちは、できるだけ大きな反射面を持つ巨大な電波望遠鏡の建造に取り組んできました。

同時に、人類による無線の大規模な使用により、ますます多くの電波が生成され、人類による宇宙信号の受信を妨害しています。 1993年の国際電波会議では、中国を含む数カ国が、地球の電磁波環境が破壊される前に超大口径電波望遠鏡を建設するという構想を提案した。翌年、南仁東氏に代表される中国の科学者らが「中国天眼」の探査を開始し、「不可能を可能にする」旅に乗り出した。

多大な困難と多くの突破口を経て、「中国天眼」は感度の面で優位な地位を占めている

建設できる望遠鏡の大きさは、最終的に発見される窪みの大きさによって決まります。適切なうつ病を見つけるのは、4 つの主要な条件を同時に満たす必要があるため、非常に困難です。まず、十分な大きさと丸みが必要です。そうでないと、掘削とサポートのコストだけでこのプロジェクトを実現することは不可能になります。第二に、良好な電波環境を確保するためには人口密集地域から遠く離れている必要がある。第三に、水が溜まらないようにする必要があります。そうしないと、機器の寿命が保証されません。最後に、優れた地質条件がなければ、大規模で高精度の天文観測装置を構築することは不可能です。

1994年から2006年にかけて、ナン・レンドン氏はチームを率いて8,000枚以上の地図から300以上の窪地を選択し、その後さらにその範囲を数十に絞り込んだ。チームはこれらの窪地のほぼすべてを旅し、現地調査を実施し、野外で睡眠をとった。最終的に、建設地は貴州省平塘県克渡鎮大臥堂窪地に決定された。

敷地が決定した後、設計、実装、デバッグ、建設後の使用方法について参考にできる既成の経験はありません。主要な技術の前例がなく、主要な材料をゼロから開発する必要があります。

「中国天眼」の設計は、世界の既存の単口径電波望遠鏡とは異なり、まず「網膜」と「瞳孔」の設計に反映されています。 「網膜」とは反射面を指します。 「瞳孔」とは、地球外信号を受信するためのシステムが配置されているキャビンであるフィードキャビンを指します。

世界初となる「チャイナ・スカイ・アイ」の「網膜」は、時には球形、時には放物線状に形を変えることができる能動反射面です。具体的には、この巨大な可動式「網膜」は、50本の巨大な鋼鉄柱で支えられた直径500メートルのリングビームに吊り下げられた、6,670本の鋼鉄ケーブルで作られたケーブルネットです。ケーブルネットは380種類以上の反射面ユニット4,450個で覆われています。ケーブルネットの下には2,225本のプルダウンケーブルがあり、それぞれが地上のアクチュエータに固定されています。アクチュエータを操作し、プルダウンケーブルを引っ張ることでケーブルネットの形状を変化させ、天文信号を収集・観測します。

「チャイナ・スカイ・アイ」の「瞳」、つまり給餌室も大胆かつ画期的なデザインだ。従来の電波望遠鏡の「瞳孔」の位置は、ほとんどが固定されているか、わずかにしか調整できません。 「チャイナ・スカイ・アイ」は全く違います。最新の軽量ケーブル駆動制御システムを採用し、「China Sky Eye」の「瞳孔」の角度と位置を自由に変更でき、より豊富な宇宙電磁波をより効果的に収集、追跡、監視できます。

大きさで言えば、世界最大の電波望遠鏡のフィードキャビンの重量は1,000トン以上であるのに対し、中国のスカイアイのフィードキャビンの重量はわずか30トン程度である。サイズが小さいため、光路の障害物や干渉信号が効果的に低減され、ビームが非常にクリーンになり、天体観測が容易になるなど、多くの利点があります。

「チャイナ・スカイ・アイ」の設計における画期的なイノベーションは、「図面から実現まで」の製造プロセスに大きな課題をもたらします。課題に応えるプロセスは、国産精密製造業が奇跡を起こし続けるプロセスでもあります。例えば、世界初となる形状変化が可能な反射面（ケーブルネット）の設計を実現するためには、ケーブルネットを構成する鋼線にバネのような一定の弾性を持たせる必要があり、疲労強度は従来規格の2倍以上という世界的にも例のない水準を実現しています。また、各スチールケーブルの加工精度は 1 mm に達する必要があり、従来の基準を 1 桁向上させます。

過去2年間、科学者たちはケーブル本体の技術をあらゆる面で改良し続けており、1本の鋼鉄ケーブルは200万回の疲労テストを受けています。 100回近くの失敗を経て、私たちはついにこの重要な問題を解決し、超大スパン、超高精度、アクティブ変位ケーブルネット構造という3つの世界初を実現しました。

建設が完了した後、「China Sky Eye」はデバッグ段階に入りました。巨大望遠鏡のデバッグには、天文学、測定、制御、電子工学、機械工学、構造など多くの分野が関わってきます。これは、学際的な焦点を強く置いた応用研究です。世界中の従来の大型電波望遠鏡のデバッグ サイクルは、4 年未満になることはほとんどありません。 「China Sky Eye」は新しいモデルを作成し、そのデバッグ作業もより困難になっています。

これまでに、トラッキング、ドリフト、モーションスキャン、ウィービングスキャンなどを実現し、機能デバッグも予定より早く完了しました。性能デバッグの面では、「China Sky Eye」は直径500メートルですが、ミリメートルレベルの精度を達成する必要があり、これは非常に困難です。現在、望遠鏡測定基準ネットワークの精度は1mm以内に向上しています。その感度は世界で2番目に大きい望遠鏡の2.5倍です。中国で製造された望遠鏡が感度の点で最高の成績を収めたのはこれが初めてだ。さらに、19 本のビームが設置されており、これもまた大きな意義があります。望遠鏡の視野を本来の 19 倍に拡大し、望遠鏡の天体観測効率を大幅に向上させることができます。

「中国の天眼」の特許技術は多くの分野に応用され、新たな科学的成果を生み出し続けています。

「China Sky Eye」チームは思い切って考え、行動しました。難しさと挑戦は大きかった。設計と建設のプロセスは、困難を克服するプロセスであると同時に、革新的な成果を生み出すプロセスでもありました。我が国独自の知的財産権を有する特許技術が次々と誕生し、実用化されています。例えば、大型スポーツスタジアムでは超高疲労性能鋼製ケーブル構造が使用され、港珠澳大橋などの建設では高精度ケーブル構造生産システムが使用されています。

製造および設置の全プロセスを通じて、多くの国家および地方の建設方法も生み出されました。例えば、「中国天眼」の「網膜」を敷設する過程では、4,450個の反射ユニット、6,670本の鋼鉄ケーブル、数万個のジョイントベアリングがすべて数十メートルの高さで作業員によって一つ一つ組み立てられ、故障許容率はゼロでした。これらの複雑な建設方法により、将来的には大規模で複雑なプロジェクトの正確な建設が容易になります。

「チャイナ・スカイ・アイ」は現代の工学上の奇跡と言えるでしょう。そこには、20 を超える科学研究機関、数百人の科学研究者、そして数千人の第一線で働く人々の努力が凝縮されています。工事現場の環境は厳しく、数日間現場で作業すると、体中に赤い発疹ができる人も多くいます。湿気と寒さの残る小屋にはエアコンも暖房もなく、皆の掛け布団は水がしみ出そうなほど湿っていました。 「スカイアイ」を建造できるのは中国だけだとよく言われます。 「スカイアイ」を実現できたのは、決して諦めず、協力し合うという精神があったからだと思います。

2017年10月、「中国天眼」の最初の科学的成果が公開されました。現在までに、「China Sky Eye」のデータに基づいた70以上の高レベルの論文が発表されています。発見されたパルサーの数は300を超えており、これは同時期に世界中の他のすべての望遠鏡によって発見された総数の3倍に相当します。パルサーの発見はなぜそれほど重要なのでしょうか?パルサーは、1立方センチメートルあたり数億トンの重さがあり、非常に高密度で高速に回転する中性子星です。灯台のように光を拡散し、常に宇宙をスキャンします。非常に高速に回転し、正確な回転周期を持つため、宇宙で最も正確な時計となっています。したがって、パルサーを理解することは「宇宙航行システム」を確立することに役立ち、人類が将来、恒星間旅行の夢を実現するのに役立つでしょう。

今後、「中国天眼」は、低周波重力波の検出、高速電波バーストの起源、星間分子などの最先端分野での探査をさらに強化し、国内外でのオープンな共有を強化し、重要な成果の産出を促進し、世界の科学技術の頂点に勇敢に登り詰めることになる。私たち若い世代の科学者も、中国の科学者4世代の努力の成果である「天眼」を有効に活用し、より多くの科学研究成果を生み出し、人類の宇宙探査と理解を促進するよう努めていきます。

出典：新華社通信 大衆日報