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观天巨眼FAST:让中国射电天文领先世界二十年

来源:科技日报2021-05-26 13:19

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  紧闭的电动门,挡住了去路,“正在观测”的警示牌格外醒目。这是贵州平塘大窝凼——“中国天眼”所在地。

  谁能想到,20多年前,这里还是一个人迹罕至的地方。而今,大山环抱之下,一个“观天巨眼”静卧在大窝凼里,仰望苍穹,以“一眼千年”的神技独步世界。

  “中国天眼”的学名是500米口径射电望远镜(FAST),其发射面积相当于30个标准足球场那么大。如果在里面倒满矿泉水,全世界70亿人平均每人可分4瓶。

  作为目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它将让中国在射电天文领域领先世界20年。从跟跑到领跑,这背后,是中国不断崛起的科技力量。

  造“锅”:历时22年建成观天巨眼

  意大利天文学家伽利略首次发明了望远镜,把宇宙拉近到人类面前。射电天文学则让人认识到另外一个全新的世界,一个不能由人的感官所感受的全新世界。

  20世纪30年代,射电天文学兴起。继美国工程师央斯基发现了发射自银河系中心的无线电波后,美国科学家格罗特·雷伯在自家后院架起专门的天线,用以探测来自天空的射电,被星际尘埃遮蔽的广阔太空世界,第一次为人们所认识。而后,类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射这四大天文发现,让射电天文学迅速崛起。

  不过,射电天文学与其他学科的重大不同之处,就在于它是以观测为基础的学科。观测直接依赖于技术,射电望远镜口径越大,观测的灵敏度就越高。

  1993年,在日本东京召开的国际无线电科学联盟大会上,与会科学家提出,要在全球电波环境恶化到不可收拾之前,建造新一代射电“大望远镜”。时任中国科学院北京天文台副台长的南仁东坐不住了,他向同事提出:“我们也建一个吧!”

  南仁东所设想的,是一个500米口径的超级射电望远镜。但是,当时世界上最大的射电望远镜——阿雷西博射电望远镜,口径也才305米。相比之下,当时中国最大的射电望远镜口径不到30米,不管是技术还是设备都非常薄弱。

  在很多人看来,南仁东的想法简直是天方夜谭。但他并非一时头脑发热。多年来,在观测上依赖外国射电望远镜窘境,让他太想拥有属于中国自己的超级望远镜。

  选址、论证、立项、建设,哪一步都不容易。

  为了给“大望远镜”安家,科学家们通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个遍。南仁东从200多张遥感图像里,挑选出所有接近圆形的洼地,然后闷着头钻进贵州的大山里,最终将目标锁定在了贵州平塘的大窝凼里。从1994年启动选址,至此已经过去了12年。

  “中国天眼”的建设,是一个史无前例的超级大工程,涉及天文学、力学、机械工程和岩土工程等各个领域,每一个领域几乎都是开创性的工作,国际上没有成熟的经验可以借鉴,南仁东带领他的团队一步一个脚印,终究踏平坎坷成大道。

  2016年9月25日,“中国天眼”建成。

  坚守:科研“铁军”托举大国重器

  2017年10月,中国科学院国家天文台对外公布,“中国天眼”发现2颗新脉冲星,距离地球分别约4100光年和1.6万光年。

  这是我国射电望远镜首次发现脉冲星,距“天眼之父”南仁东病逝不到1个月。南仁东真正走进大家视野,是他去世前在央视那一次,他用孱弱沙哑的声音缓缓说出那一句:“FAST是全世界最先进、灵敏的射电望远镜,将探索宇宙百亿光年的微弱信号。”

  为了铸就这口“大锅”,南仁东耗尽了一生心血。最终,“中国天眼”开了“眼”,他却永远闭上了双眼。但是,他为中国射电天文学开启了一个10年至20年的“黄金期”。

  令人欣慰的是,无论是在调试期间,还是正式投入运行,“中国天眼”的表现没有让人失望。

  截至目前,“中国天眼”已发现脉冲星逾370颗,并在快速射电暴等研究领域取得系列重大突破,是当之无愧的“世界第一”。

  FAST中心常务副主任、总工程师姜鹏说,“中国天眼”背后,是一支托举起大国重器的科研“铁军”,面对恶劣的自然环境和零起步的科研项目,FAST团队20多年如一日,默默坚守,攻坚克难。

  2008年,潘高峰博士毕业后加入FAST团队,他说,13年风风雨雨一路走来,经常能遇到“山穷水尽疑无路”的绝境,也能享受到“柳暗花明又一村”的喜悦。现为FAST中心综合管理部主任的潘高峰,先后完成FAST馈源支撑六塔选址、大跨度柔性六索并联机器人研制建设、动光缆研制等任务。

  清华学子姚蕊攻读研究生阶段便进入FAST项目组,如今已成长为FAST中心机械组组长。在FAST建设期间,她探索解决FAST馈源舱超重问题的创新方法,最终摒弃多年圆柱体形状的设计方案,创造性研制了现在的“钻石三角形”馈源舱。

  从姜鹏开始,孙京海、甘恒谦、于东骏、钱磊……几乎每个人都有说不完的故事。

  在大窝凼里,和南仁东一样的这群百人科研“铁军”,默默守护着“中国天眼”。

  开放:“中国天眼”让人类看得更远

  曾经“世界第一”的美国阿雷西博望远镜发生坍塌之后,“中国天眼”便成了如今全球唯一的超大型射电望远镜。正因为卓越的综合性能,“中国天眼”对于天文观测和天文研究的重要性不言而喻,这也使得世界各国的科学家纷纷想要借助“中国天眼”开展研究。

  2021年3月31日起,“中国天眼”面向全球开放,各国科学家均可提出申请,经审核后可使用“中国天眼”开展观测和研究。虽然射电天文学的初衷就是为让人类看得更远,但是,“中国天眼”是我国自主研制的先进大型天文观测设备,国际上并没有任何一个硬性规定要求中国与全世界共享。因此,中国的这一举动,堪称国际科技界的一股清流。

  姜鹏透露,目前,来自国内外的天文学家申请观测非常踊跃,不过“中国天眼”今年将只对外开放10%的观测时间。“申请观测的方向,基本覆盖了中低频射电望远镜的前沿科学问题。”

  观测时长是科学产出的重要保障,让姜鹏欣慰的是,“中国天眼”运行情况稳定,每天可以保证20个小时左右的观测时长,每年大概可以运行7000个机时,去除维护和测试时间,正常观测时间应该不少于5000个机时。

  “我们不只是做世界最大——要做最大很容易,满地铺,总能铺出世界最大,但如果要做成好用的望远镜,就是不同难度级别的挑战。”姜鹏说,在调试期间,FAST团队就已经把建设时遗留的一些问题解决了。目前,针对超级数据的传输和储存问题,因中国科学院有稳定的经费支持,也已经得到了妥善解决。“‘中国天眼’一年产生的数据大约在15PB左右,每秒钟产生2GB,后者的数据量和下载一部电影相当。”

  目前,“中国天眼”已经启动了脉冲星测时阵列、漂移扫描多科学目标巡天等5个重大和优先项目。外界预测,未来3至5年,“中国天眼”的高灵敏度将有可能使其在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿方向取得突破。

  姜鹏说,“中国天眼”发现这么多脉冲星,需要做大量的后随观测,这给FAST团队带来很大的挑战,希望中国正在规划打造的其他大型望远镜能尽快建成。

  脉冲星就是旋转的中子星,因不断地发出电磁脉冲信号而得名。从脉冲星中遴选出脉冲信号稳定的毫秒脉冲星,将来有望应用于星际导航。

  有一种说法,5年后,“中国天眼”观测到的脉冲星有望达到1000颗,有可能定位并识别出银河系外的第一颗脉冲星。对此,姜鹏表示,“中国天眼”如果发现河外脉冲星特别是黑洞双星系统的话,将可能是诺贝尔奖级别的成果。不过,“中国天眼”只是给科学家提供一种可能性,重大成果的产出,有时候还需要一些运气。

  姜鹏说,FAST团队将转换心态与角色定位,由过去的建设、调试、运维更多转变为服务,建立公平观测机制,努力为全球科学家提供良好服务。“未来的舞台中心一定属于科学家,我们甘当绿叶,陪衬他们的光辉。”他说。(何星辉 周泓汛 张 华)

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