Công ty tham gia nghiên cứu và phát triển dự án FAST, kính thiên văn vô tuyến một đĩa lớn nhất thế giới
Theo ủy thác của một viện nghiên cứu tại Bắc Kinh, FCTEL đã tham gia dự án FAST, kính thiên văn vô tuyến một chảo lớn nhất thế giới, phát triển các thiết bị chuyển đổi truyền dẫn quang tốc độ cao để truyền tín hiệu điện từ nhiều loại cảm biến như bộ mã hóa tuyệt đối nhiều vòng và bộ mã hóa quay vào phòng chắn điện từ, giải quyết vấn đề tồn tại lâu nay về méo tín hiệu sau khi lọc trước khi tín hiệu điện của cảm biến đi vào phòng chắn điện từ, đồng thời xử lý vấn đề sai lệch độ trễ xung nhịp ở phía tín hiệu điện tốc độ cao sau chuyển đổi quang–điện trong các giải pháp truyền dẫn quang điện thông thường.
Nhờ nhiều năm tích lũy nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực truyền dẫn quang, FCTEL rất vui mừng khi có thể đóng góp một phần công sức nhỏ bé cho các dự án công nghệ hàng đầu thế giới của Trung Quốc.
Giải mã kính thiên văn vô tuyến một chảo lớn nhất thế giới “FAST” (Minh họa của Trái Đất Bí Ẩn)
(Bản tin Trái Đất Bí Ẩn) Theo báo Southern Metropolis Daily: “Cảnh báo các bạn: Đừng trả lời! Đừng trả lời! Đừng trả lời! Có hàng chục triệu ngôi sao theo hướng của các bạn. Nếu các bạn trả lời, nguồn phát sẽ bị định vị, hệ hành tinh của các bạn sẽ bị xâm lược và thế giới của các bạn sẽ bị chiếm đóng! Đừng trả lời! Đừng trả lời! Đừng trả lời!” Đây là sóng vô tuyến từ một nền văn minh ngoài Trái Đất mà “Căn cứ Hồng Ngạn”, nơi nữ nhân vật chính đóng quân trong tiểu thuyết khoa học viễn tưởng Tam Thể, đã vô tình thu được.
Trên thực tế, phiên bản đời thực của “Căn cứ Hồng Ngạn” thu nhận sóng vô tuyến vũ trụ đang được xây dựng tại lòng chảo “Da Wodang”, thôn Jinke, thị trấn Kedu, huyện Pingtang, tỉnh Quý Châu. Dự án xây dựng kính thiên văn vô tuyến một chảo lớn nhất thế giới, “Thiên Nhãn” (FAST), hiện đã bước vào giai đoạn cuối. Khi hoàn thành, kính thiên văn vô tuyến hình cầu có đường kính 500 mét này sẽ có diện tích thu tín hiệu tương đương 30 sân bóng đá.
Ngày 26 tháng 12 năm 2015, tại Buổi thuyết giảng khoa học đại chúng lần thứ 2015 ở Cung thiên văn Bắc Kinh, Jiang Peng, trợ lý tổng công trình sư kiêm phó tổng công trình sư hệ thống mặt phản xạ của FAST, đã chia sẻ về quá trình xây dựng “Thiên Nhãn” và việc khắc phục các thách thức kỹ thuật liên quan trong quá trình thi công. Theo thông tin được công bố, so với kính thiên văn Arecibo của Mỹ, được xếp vào 10 công trình hàng đầu của nhân loại trong thế kỷ 20, hiệu năng tổng thể của “Thiên Nhãn” tốt hơn khoảng 10 lần, và toàn bộ dự án dự kiến hoàn thành vào tháng 9 năm 2016.
Sau khi xác định hơn 300 vùng trũng, cuối cùng địa điểm được chọn là “Da Wo Dang” ở Quý Châu
Nhiều người có thể thắc mắc: tại sao “Thiên Nhãn” lại được đặt ở tỉnh Quý Châu, nơi có địa chất phức tạp? Theo Jiang Peng, các nhà khoa học đã dành hơn mười năm để tìm một “hốc mắt” phù hợp cho “Thiên Nhãn”. Tại hội nghị Liên minh Khoa học Vô tuyến Quốc tế năm 1993, các nhà thiên văn học từ mười quốc gia, trong đó có Trung Quốc, đã đề xuất sáng kiến xây dựng thế hệ “kính thiên văn vô tuyến khổng lồ” mới, nhằm truy tìm vũ trụ nguyên thủy và giải đáp nhiều câu hỏi hóc búa trong thiên văn học.
Cuối năm 1995, Ủy ban Thúc đẩy Kính thiên văn vô tuyến lớn của Trung Quốc đã đề xuất ý tưởng “Dự án Karst”, tận dụng một vùng trũng karst ở Quý Châu để xây dựng mặt phản xạ hình cầu. Sau nhiều lần sàng lọc, cuối cùng họ tìm được “Da Wo Dang” tại thị trấn Kedu, huyện Pingtang — một “hốc mắt” sâu phù hợp nhất với “Thiên Nhãn” khổng lồ. Đến năm 2007, dự án được chính thức phê duyệt và địa điểm được xác nhận. Tháng 3 năm 2011, dự án FAST khởi công tại Quý Châu.
Việc lựa chọn địa điểm mất nhiều thời gian như vậy vì nhóm dự án luôn cân nhắc cách giảm thiểu khối lượng đào đất của công trình. Qua tìm kiếm bằng vệ tinh, các kỹ sư đã xác định hơn 300 vùng trũng trên toàn quốc. Sau nhiều vòng sàng lọc, họ nhận thấy vùng trũng “Da Wodang” ở đông nam Quý Châu vừa lớn vừa tròn, phù hợp nhất với hình dạng của FAST. Ngoài ra, môi trường yên tĩnh, dân cư thưa thớt quanh vùng trũng này cũng thuận lợi cho việc giảm nhiễu điện từ đối với FAST. Cân nhắc tất cả các yếu tố đó, cuối cùng “hốc mắt” đã được đặt tại “Da Wodang” vào năm 2007.
Đúc một “chiếc nồi lớn” đường kính 500 mét trên địa hình phức tạp
Tương tự nguyên lý hoạt động của ăng-ten vệ tinh parabol thông thường, FA ST gồm hai phần chính: mặt parabol phản xạ tín hiệu và bộ thu sơ cấp tiếp nhận tín hiệu. Mặt parabol (thường gọi là “chảo”) hội tụ các tín hiệu phản xạ vào một điểm duy nhất. Về hình dáng, mặt parabol này giống như một “chiếc chảo” khổng lồ. Điểm khác biệt duy nhất là thứ nó chứa đựng chính là các tín hiệu do những “vị khách ngoài không gian” gửi đến.
Lần này, công trường nằm trong khu vực núi non hiểm trở. Làm thế nào để đúc một “chiếc nồi lớn” đường kính 500 mét trên địa hình phức tạp như vậy thực sự khiến các chuyên gia đau đầu. Nhiều nhóm đã đưa ra đề xuất và phương án; từng có người đề xuất sử dụng công nghệ phân tách, với hệ giá đỡ cứng bố trí dày đặc bên dưới. Tuy nhiên, cuối cùng phương án “lưới cáp” đã được lựa chọn.
Theo phương án “lưới cáp căng”, khi hoạt động, FAST có thể bám theo chuyển động quay của các thiên thể để theo dõi và quét các nguồn vô tuyến. Trước tiên, các nhà khoa học điều khiển sáu sợi cáp thép để di chuyển cabin thu sơ cấp trên bề mặt chỏm cầu có đường kính 207 mét, ở độ cao 140-180 mét so với mặt đất. Sau đó, thông qua 2,225 cơ cấu chấp hành kéo lưới cáp, 4,450 tấm phản xạ trên lưới được điều chỉnh để FAST hội tụ. Nhờ vậy, FAST có thể xoay tự do như mắt người. Khi các tấm phản xạ tiếp nhận tín hiệu sóng điện từ vô tuyến, chúng hội tụ các tín hiệu vũ trụ vào cabin thu sơ cấp.
Việc lắp ráp các tấm phản xạ hoàn toàn dựa vào đội thi công làm việc trên cao.
Ngày 4 tháng 2 năm ngoái, việc chế tạo và lắp đặt lưới cáp FAST đã hoàn tất. Giờ đây, nếu có dịp đến thăm công trường, bạn có thể nhìn thấy một “tấm lưới đánh cá” khổng lồ được đan từ hơn 6,000 sợi cáp thép. Tuy nhiên, Jiang Peng cho biết, dù tấm lưới lớn trông rất ngoạn mục, việc đan nó hoàn toàn không dễ dàng.
Theo thông tin được biết, toàn bộ lưới cáp có tổng cộng 2,225 nút, và nhịp lắp đặt của lưới cáp cực kỳ lớn. Đội kỹ thuật sử dụng phương pháp làm việc trên cao để nâng từng phần lưới cáp và từng tấm phản xạ, hoàn tất lắp ráp sau khi đo đạc chính xác vị trí, với yêu cầu sai lệch kiểm soát hình dạng bề mặt phải nằm trong mức RMS 5mm. Để bảo đảm độ chính xác, các chuyên gia đã đặc biệt xây dựng một phòng ổn nhiệt để sản xuất cáp chịu kéo.
Một vấn đề lớn hơn đến từ sự biến dạng của các cột thép do thay đổi nhiệt độ; chênh lệch nhiệt độ 50°C đồng nghĩa với thay đổi 300 milimét. Jiang Peng giải thích rằng để thích ứng với địa hình nhấp nhô, các cột thép đỡ kết cấu mặt phản xạ có chiều cao khác nhau. Để ngăn biến dạng không đồng đều, các gối trượt được bổ sung tại những điểm nối giữa dầm vòng và cột thép. Điều này cho phép các dầm vòng đỡ tự do giãn nở và co lại trên các cột đỡ, giúp biến dạng đồng đều hơn.
Điều này tương tự như chừa một khoảng đệm cho biến dạng, với khoảng dịch chuyển biến dạng tối đa lên đến 0.47 mét. Nhờ vậy, “Thiên Nhãn” được kết nối với “dây thần kinh thị giác” có thể linh hoạt điều chỉnh tiêu điểm. Đáng chú ý, do biến dạng gây ra bởi tự trọng và tải trọng gió, khẩu độ tối đa của các kính thiên văn truyền thống có thể điều hướng hoàn toàn thường chỉ là 100 mét. “Thiên Nhãn” có khẩu độ 500 mét, sử dụng kết cấu lưới cáp, dễ dàng vượt qua giới hạn 100 mét, không chỉ tiên phong tạo ra một mô hình mới để xây dựng kính thiên văn vô tuyến khổng lồ mà khi đi vào hoạt động còn có độ nhạy gấp 3.25 lần Đài thiên văn Arecibo của Mỹ, đài thiên văn lớn nhất thế giới.
Sau khi hoàn thành, “Thiên Nhãn” sẽ tìm kiếm sự sống thông minh ngoài Trái Đất.
Từ khi hình thành ý tưởng đến nay, dự án “Thiên Nhãn” sắp hoàn thành đã trải qua hơn 20 năm. Sau khi được đưa vào sử dụng, nó sẽ thể hiện khả năng trong những lĩnh vực nào? Trong một cuộc phỏng vấn với truyền thông, Li Di, nhà khoa học trưởng của Ban Thiên văn vô tuyến thuộc Đài Thiên văn Quốc gia, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cho biết lĩnh vực hoạt động chủ yếu của “Thiên Nhãn” vẫn là thiên văn học, chẳng hạn như: phát hiện các tín hiệu và vật chất xa xôi trong vũ trụ, khám phá các chủ đề từ nguồn gốc vũ trụ đến cấu trúc vật chất liên sao, tìm kiếm các sao xung mờ và những nguồn vô tuyến yếu khác, đồng thời tiến hành hiệu quả việc tìm kiếm sự sống thông minh ngoài Trái Đất.
Trong một cuộc phỏng vấn với truyền thông, Zheng Xiaonian, Phó Giám đốc điều hành Dự án FAST kiêm Phó Giám đốc Đài Thiên văn Quốc gia, cho biết “Thiên Nhãn” sau khi hoàn thành sẽ có khả năng khảo sát hydro trung hòa trong vũ trụ, phát hiện các phân tử liên sao, quan sát sao xung và tìm kiếm các tín hiệu liên lạc liên sao. Với sự trợ giúp của con mắt lớn tinh tường này, nhân loại đã tiến thêm một bước trong hành trình tìm kiếm các nền văn minh ngoài Trái Đất.
Đầu tháng 12 năm ngoái, Pierrick Martin, nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia (CNRS) ở Toulouse, Pháp, và Viện Vật lý Thiên văn và Hành tinh học, đã sử dụng Kính thiên văn Không gian Tia gamma Fermi của NASA để phát hiện sao xung tia gamma đầu tiên trong một thiên hà khác cách Trái Đất 163,000 năm ánh sáng, lập kỷ lục mới về sao xung tia gamma sáng nhất được biết đến.
Phát hiện sao xung ngoài Ngân Hà vốn là một trong những mục tiêu ban đầu của FAST. Theo tính toán của Đài Thiên văn Quốc gia thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, lưới cáp của “Thiên Nhãn” biến dạng khoảng hơn một triệu lần, với tuổi thọ sử dụng 30 năm. Li Di rất tự tin vào hiệu năng tương lai của FAST và nói: “Sau khi hoàn thành, FAST sẽ duy trì vị thế đẳng cấp thế giới trong 20 năm tiếp theo.”
Sáu tháp đỡ cao 100 mét
Bằng cách điều khiển sáu sợi cáp thép, cabin thu sơ cấp được di chuyển trên chỏm cầu có đường kính 207 mét, ở độ cao 140–180 mét so với mặt đất.
Cabin thu sơ cấp nặng khoảng 30 tấn (bao gồm khung hình sao, bệ Stewart, vỏ cabin và các thiết bị khác)
Kéo lưới cáp bằng 2,225 cơ cấu chấp hành để điều chỉnh 4,450 tấm phản xạ trên lưới, giúp “Thiên Nhãn” hội tụ
“Thiên Nhãn” tránh gió, mưa và sét như thế nào
“‘Thiên Nhãn’ được xây dựng trong ‘hố sụt thiên khanh’ ở Quý Châu. Một công trình khổng lồ như vậy tránh gió, mưa và sét như thế nào?”
Các nhà khoa học đã tính đến yếu tố lượng mưa ngay khi lựa chọn địa điểm. Jiang Peng cho biết việc quyết định đặt “hốc mắt” ở Quý Châu không chỉ vì hình dạng đáp ứng yêu cầu. Phần phức tạp hơn nằm ở phía sau; trong giai đoạn khảo sát thực địa, nhóm dự án cần tiến hành đánh giá địa chất chuyên sâu đối với vùng trũng.
“Toàn bộ vùng trũng có ít nhất 600 lỗ, gần như đã trở thành một chiếc sàng khổng lồ.” Mạng lưới sông ngầm phát triển hoàn chỉnh đặc trưng của địa hình karst cùng vô số hang động đã mang lại một bất ngờ thú vị: chúng tạo cho “Thiên Nhãn” khả năng thoát nước tự nhiên. Khi trời mưa, nước nhanh chóng thấm xuống lòng đất, ngăn nước tích tụ tại khu vực kính thiên văn và làm hỏng thiết bị điện tử.
Tính đến tháng 12 năm ngoái, việc lắp đặt các tấm phản xạ đã hoàn thành hơn một nửa, và hình hài ban đầu của “Thiên Nhãn” đã dần hiện rõ: một thung lũng khổng lồ được lấp đầy bởi “tấm lưới” hình bán cầu đan từ cáp thép, khoảng một nửa được phủ các tấm phản xạ màu bạc; trên nền núi xanh bao quanh, nó trông như một tấm gương chói sáng.
Jiang Peng lưu ý rằng khi quan sát kỹ, có thể thấy các tấm phản xạ chủ động bằng hợp kim nhôm tưởng chừng nhẵn mịn thực ra có vô số lỗ. Những lỗ nhỏ dày đặc này được thiết kế để giảm tải trọng gió, qua đó giảm tác động của tốc độ gió vượt quá 4-5 mét mỗi giây đối với hoạt động dò tìm của “Tianyan”.
Đồng thời, các lỗ cũng giúp tăng khả năng truyền ánh sáng, cho phép thực vật trên bề mặt ăng-ten sinh trưởng và ngăn xói mòn đất. Jiang Peng nói: “Bảo tồn đất và nước rất quan trọng; nếu không, một khi xói mòn đất trở nên nghiêm trọng, các vùng trũng sẽ biến thành ao bùn khi trời mưa.” Ông lưu ý rằng dù phủ xanh có lợi, nhưng nếu dây leo phát triển quá mức và bò lên các tấm phản xạ, chúng cũng có thể cản trở hoạt động dò tìm. Hiện nhóm dự án thường xuyên cùng công nhân dọn cỏ dại mọc um tùm.
Ngoài ra, điều kiện khí hậu khắc nghiệt tại địa phương ở Quý Châu cũng là mối lo ngại của nhiều người. Liệu “Thiên Nhãn” có thể chịu được mưa cực lớn, tuyết, mưa đá và giông sét không? Về vấn đề này, Jiang Peng cho biết “Thiên Nhãn” đã có những biện pháp chuẩn bị tương ứng. Chẳng hạn, để phòng chống sét đánh, toàn bộ thiết bị kim loại được nối đất thành một hệ thống thống nhất, nhờ đó dòng điện sét có thể nhanh chóng tản xuống đất. “Hơn nữa, theo kinh nghiệm, thời tiết cực đoan chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong năm (thường khoảng 10 ngày), nên tác động sẽ không quá lớn.”
Quá khứ và hiện tại của kính thiên văn vô tuyến
Sự phát triển của kính thiên văn đã trải qua quá trình tiến hóa từ khẩu độ nhỏ đến lớn và từ ngắn đến dài. Hiện nay, sự phát triển của kính thiên văn chủ yếu tập trung vào hai hướng: một là “tiến vào không gian”, hai là “chiếm lĩnh mặt đất”. Do ảnh hưởng của khí quyển Trái Đất, phần lớn tia tử ngoại bước sóng ngắn và tia X không thể được quan sát, nên chỉ có thể dùng công nghệ vũ trụ đưa kính thiên văn ra ngoài không gian. Ví dụ gồm Kính thiên văn Kepler và Kính thiên văn Không gian Hubble. Thuật ngữ “chiếm lĩnh mặt đất” chỉ các kính thiên văn đặt trên mặt đất, chẳng hạn kính thiên văn vô tuyến FAST hiện đang được xây dựng tại Trung Quốc.
Là một loại kính thiên văn, sự phát triển của kính thiên văn vô tuyến cũng thể hiện bước tiến của nhân loại trong việc khám phá vũ trụ. Mãi đến năm 1873, khi tác phẩm “Luận về Điện và Từ” của Maxwell được xuất bản, trình bày có hệ thống và toàn diện lý thuyết trường điện từ, con người mới chợt nhận ra: ánh sáng cũng là một loại sóng điện từ, và trong dải phổ điện từ rộng lớn, ánh sáng nhìn thấy chỉ chiếm một phần rất nhỏ.
Bước sang thế kỷ 20, khi đo độ cao của tầng điện ly Trái Đất, các nhà khoa học phát hiện rằng sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn 60 mét hầu như hoàn toàn không quay trở lại khi đi qua tầng điện ly. Hiện tượng này đã khơi gợi trí tưởng tượng của các nhà nghiên cứu: nếu sóng điện từ có bước sóng ngắn hơn 60 mét có thể truyền từ Trái Đất ra không gian mà không bị cản trở, thì ngược lại, các sóng điện từ tương tự từ không gian cũng có thể xuyên qua khí quyển và tới Trái Đất.
Từ đó, màn mở đầu cho việc con người quan sát sóng vô tuyến vũ trụ đã được vén lên. Năm 1931, Phòng thí nghiệm Bell tại Mỹ đã thu được sóng vô tuyến từ trung tâm Ngân Hà bằng một dàn ăng-ten. Từ đó, thiên văn vô tuyến chính thức ra đời. Trong những thập kỷ tiếp theo, sao xung, chuẩn tinh, bức xạ nền vi sóng vũ trụ và các phân tử hữu cơ liên sao lần lượt “xuất hiện”.
Trong hơn 80 năm kể từ khi ra đời, bản thân kính thiên văn vô tuyến cũng đã phát triển nhanh chóng. Năm 1955, Vương quốc Anh xây dựng Kính thiên văn vô tuyến Lovell có thể chuyển động, đường kính 76 mét, tại Đài thiên văn Jodrell Bank ở Manchester. Năm 1972, kính thiên văn vô tuyến có thể điều hướng hoàn toàn lớn nhất thế giới lúc bấy giờ, Kính thiên văn Bonn ở Đức, được hoàn thành với đường kính ăng-ten parabol đạt 100 mét.
Năm 1963, Kính thiên văn vô tuyến Arecibo được hoàn thành trên đảo Puerto Rico ở Trung Mỹ, ban đầu có đường kính 305 mét (sau đó mở rộng lên 350 mét). Arecibo dù đã lâu năm vẫn là kính thiên văn vô tuyến một chảo lớn nhất từng được xây dựng trên thế giới.
Năm 1974, để kỷ niệm việc hoàn tất nâng cấp, Kính thiên văn Arecibo đã gửi một tín hiệu gồm 1,679 chữ số nhị phân đến cụm sao cầu M13, cách Trái Đất 25,000 năm ánh sáng; tín hiệu này được gọi là Thông điệp Arecibo. Ở phần dưới cùng của hình còn có biểu tượng “bếp năng lượng mặt trời”, thể hiện cách con người thu và phát tín hiệu vô tuyến.
Hiện nay, bên cạnh dự án “Thiên Nhãn” FAST đang triển khai của Trung Quốc, dự án SKA, có tên đầy đủ là “Kính thiên văn vô tuyến Mảng Kilômét vuông”, dự kiến sẽ khởi công trong hai năm nữa. Dai Shi, một nhà thiên văn học trẻ tốt nghiệp Khoa Thiên văn học của Đại học Bắc Kinh và hiện đang nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Thiên văn và Khoa học Không gian (CASS) thuộc Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Khối Thịnh vượng chung Australia, là thành viên của dự án SKA.
Theo ông, SKA sẽ gồm hàng nghìn ăng-ten nhỏ hơn được xây dựng tại Australia và Nam Phi, dự kiến hoạt động vào khoảng năm 2030 và được kỳ vọng sẽ trở thành kính thiên văn lớn nhất trong lịch sử nhân loại.
