觀天巨眼FAST：讓中國(guó)射電天文領(lǐng)先世界二十年
它能看穿130多億光年的區(qū)域。作為世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，“中國(guó)天眼”大大拓展了人類(lèi)視野，對(duì)促進(jìn)我國(guó)天文學(xué)現(xiàn)重大原創(chuàng)突破具有重要意義。
◎本報(bào)記者 何星輝
實(shí) 習(xí) 生 周泓汛 張 華
緊閉的電動(dòng)門(mén)，擋住了去路，“正在觀測(cè)”的警示牌格外醒目。這是貴州平塘大窩凼——“中國(guó)天眼”所在地。
誰(shuí)能想到，20多年前，這里還是一個(gè)人跡罕至的地方。而今，大山環(huán)抱之下，一個(gè)“觀天巨眼”靜臥在大窩凼里，仰望蒼穹，以“一眼千年”的神技獨(dú)步世界。
“中國(guó)天眼”的學(xué)名是500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，其發(fā)射面積相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。如果在里面倒?jié)M礦泉水，全世界70億人平均每人可分4瓶。
作為目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，它將讓中國(guó)在射電天文領(lǐng)域領(lǐng)先世界20年。從跟跑到領(lǐng)跑，這背后，是中國(guó)不斷崛起的科技力量。
造“鍋”：歷時(shí)22年建成觀天巨眼
意大利天文學(xué)家伽利略首次發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，把宇宙拉近到人類(lèi)面前。射電天文學(xué)則讓人認(rèn)識(shí)到另外一個(gè)全新的世界，一個(gè)不能由人的感官所感受的全新世界。
20世紀(jì)30年代，射電天文學(xué)興起。繼美國(guó)工程師央斯基發(fā)現(xiàn)了發(fā)射自銀河系中心的無(wú)線電波后，美國(guó)科學(xué)家格羅特·雷伯在自家后院架起專(zhuān)門(mén)的天線，用以探測(cè)來(lái)自天空的射電，被星際塵埃遮蔽的廣闊太空世界，第一次為人們所認(rèn)識(shí)。而后，類(lèi)星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射這四大天文發(fā)現(xiàn)，讓射電天文學(xué)迅速崛起。
不過(guò)，射電天文學(xué)與其他學(xué)科的重大不同之處，就在于它是以觀測(cè)為基礎(chǔ)的學(xué)科。觀測(cè)直接依賴(lài)于技術(shù)，射電望遠(yuǎn)鏡口徑越大，觀測(cè)的靈敏度就越高。
1993年，在日本東京召開(kāi)的國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)上，與會(huì)科學(xué)家提出，要在全球電波環(huán)境惡化到不可收拾之前，建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”。時(shí)任中國(guó)科學(xué)院北京天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)的南仁東坐不住了，他向同事提出：“我們也建一個(gè)吧！”
南仁東所設(shè)想的，是一個(gè)500米口徑的超級(jí)射電望遠(yuǎn)鏡。但是，當(dāng)時(shí)世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡——阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，口徑也才305米。相比之下，當(dāng)時(shí)中國(guó)最大的射電望遠(yuǎn)鏡口徑不到30米，不管是技術(shù)還是設(shè)備都非常薄弱。
在很多人看來(lái)，南仁東的想法簡(jiǎn)直是天方夜譚。但他并非一時(shí)頭腦發(fā)熱。多年來(lái)，在觀測(cè)上依賴(lài)外國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡窘境，讓他太想擁有屬于中國(guó)自己的超級(jí)望遠(yuǎn)鏡。
選址、論證、立項(xiàng)、建設(shè)，哪一步都不容易。
為了給“大望遠(yuǎn)鏡”安家，科學(xué)家們通過(guò)衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個(gè)遍。南仁東從200多張遙感圖像里，挑選出所有接近圓形的洼地，然后悶著頭鉆進(jìn)貴州的大山里，最終將目標(biāo)鎖定在了貴州平塘的大窩凼里。從1994年啟動(dòng)選址，至此已經(jīng)過(guò)去了12年。
“中國(guó)天眼”的建設(shè)，是一個(gè)史無(wú)前例的超級(jí)大工程，涉及天文學(xué)、力學(xué)、機(jī)械工程和巖土工程等各個(gè)領(lǐng)域，每一個(gè)領(lǐng)域幾乎都是開(kāi)創(chuàng)性的工作，國(guó)際上沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，南仁東帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)一步一個(gè)腳印，終究踏平坎坷成大道。
2016年9月25日，“中國(guó)天眼”建成。
堅(jiān)守：科研“鐵軍”托舉大國(guó)重器
2017年10月，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)對(duì)外公布，“中國(guó)天眼”發(fā)現(xiàn)2顆新脈沖星，距離地球分別約4100光年和1.6萬(wàn)光年。
這是我國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)脈沖星，距“天眼之父”南仁東病逝不到1個(gè)月。南仁東真正走進(jìn)大家視野，是他去世前在央視那一次，他用孱弱沙啞的聲音緩緩說(shuō)出那一句：“FAST是全世界最先進(jìn)、靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，將探索宇宙百億光年的微弱信號(hào)。”
為了鑄就這口“大鍋”，南仁東耗盡了一生心血。最終，“中國(guó)天眼”開(kāi)了“眼”，他卻永遠(yuǎn)閉上了雙眼。但是，他為中國(guó)射電天文學(xué)開(kāi)啟了一個(gè)10年至20年的“黃金期”。
令人欣慰的是，無(wú)論是在調(diào)試期間，還是正式投入運(yùn)行，“中國(guó)天眼”的表現(xiàn)沒(méi)有讓人失望。
截至目前，“中國(guó)天眼”已發(fā)現(xiàn)脈沖星逾370顆，并在快速射電暴等研究領(lǐng)域取得系列重大突破，是當(dāng)之無(wú)愧的“世界第一”。
FAST中心常務(wù)副主任、總工程師姜鵬說(shuō)，“中國(guó)天眼”背后，是一支托舉起大國(guó)重器的科研“鐵軍”，面對(duì)惡劣的自然環(huán)境和零起步的科研項(xiàng)目，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)20多年如一日，默默堅(jiān)守，攻堅(jiān)克難。
2008年，潘高峰博士畢業(yè)后加入FAST團(tuán)隊(duì)，他說(shuō)，13年風(fēng)風(fēng)雨雨一路走來(lái)，經(jīng)常能遇到“山窮水盡疑無(wú)路”的絕境，也能享受到“柳暗花明又一村”的喜悅�，F(xiàn)為FAST中心綜合管理部主任的潘高峰，先后完成FAST饋源支撐六塔選址、大跨度柔性六索并聯(lián)機(jī)器人研制建設(shè)、動(dòng)光纜研制等任務(wù)。
清華學(xué)子姚蕊攻讀研究生階段便進(jìn)入FAST項(xiàng)目組，如今已成長(zhǎng)為FAST中心機(jī)械組組長(zhǎng)。在FAST建設(shè)期間，她探索解決FAST饋源艙超重問(wèn)題的創(chuàng)新方法，最終摒棄多年圓柱體形狀的設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)造性研制了現(xiàn)在的“鉆石三角形”饋源艙。
從姜鵬開(kāi)始，孫京海、甘恒謙、于東駿、錢(qián)磊……幾乎每個(gè)人都有說(shuō)不完的故事。
在大窩凼里，和南仁東一樣的這群百人科研“鐵軍”，默默守護(hù)著“中國(guó)天眼”。
開(kāi)放：“中國(guó)天眼”讓人類(lèi)看得更遠(yuǎn)
曾經(jīng)“世界第一”的美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)生坍塌之后，“中國(guó)天眼”便成了如今全球唯一的超大型射電望遠(yuǎn)鏡。正因?yàn)樽吭降木C合性能，“中國(guó)天眼”對(duì)于天文觀測(cè)和天文研究的重要性不言而喻，這也使得世界各國(guó)的科學(xué)家紛紛想要借助“中國(guó)天眼”開(kāi)展研究。
2021年3月31日起，“中國(guó)天眼”面向全球開(kāi)放，各國(guó)科學(xué)家均可提出申請(qǐng)，經(jīng)審核后可使用“中國(guó)天眼”開(kāi)展觀測(cè)和研究。雖然射電天文學(xué)的初衷就是為讓人類(lèi)看得更遠(yuǎn)，但是，“中國(guó)天眼”是我國(guó)自主研制的先進(jìn)大型天文觀測(cè)設(shè)備，國(guó)際上并沒(méi)有任何一個(gè)硬性規(guī)定要求中國(guó)與全世界共享。因此，中國(guó)的這一舉動(dòng)，堪稱(chēng)國(guó)際科技界的一股清流。
姜鵬透露，目前，來(lái)自國(guó)內(nèi)外的天文學(xué)家申請(qǐng)觀測(cè)非常踴躍，不過(guò)“中國(guó)天眼”今年將只對(duì)外開(kāi)放10%的觀測(cè)時(shí)間�！吧暾�(qǐng)觀測(cè)的方向，基本覆蓋了中低頻射電望遠(yuǎn)鏡的前沿科學(xué)問(wèn)題�！�
觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)是科學(xué)產(chǎn)出的重要保障，讓姜鵬欣慰的是，“中國(guó)天眼”運(yùn)行情況穩(wěn)定，每天可以保證20個(gè)小時(shí)左右的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)，每年大概可以運(yùn)行7000個(gè)機(jī)時(shí)，去除維護(hù)和測(cè)試時(shí)間，正常觀測(cè)時(shí)間應(yīng)該不少于5000個(gè)機(jī)時(shí)。
“我們不只是做世界最大——要做最大很容易，滿(mǎn)地鋪，總能鋪出世界最大，但如果要做成好用的望遠(yuǎn)鏡，就是不同難度級(jí)別的挑戰(zhàn)�！苯i說(shuō)，在調(diào)試期間，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)把建設(shè)時(shí)遺留的一些問(wèn)題解決了。目前，針對(duì)超級(jí)數(shù)據(jù)的傳輸和儲(chǔ)存問(wèn)題，因中國(guó)科學(xué)院有穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持，也已經(jīng)得到了妥善解決�！啊袊�(guó)天眼’一年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)大約在15PB左右，每秒鐘產(chǎn)生2GB，后者的數(shù)據(jù)量和下載一部電影相當(dāng)�！�
目前，“中國(guó)天眼”已經(jīng)啟動(dòng)了脈沖星測(cè)時(shí)陣列、漂移掃描多科學(xué)目標(biāo)巡天等5個(gè)重大和優(yōu)先項(xiàng)目。外界預(yù)測(cè)，未來(lái)3至5年，“中國(guó)天眼”的高靈敏度將有可能使其在低頻引力波探測(cè)、快速射電暴起源、星際分子等前沿方向取得突破。
姜鵬說(shuō)，“中國(guó)天眼”發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星，需要做大量的后隨觀測(cè)，這給FAST團(tuán)隊(duì)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，希望中國(guó)正在規(guī)劃打造的其他大型望遠(yuǎn)鏡能盡快建成。
脈沖星就是旋轉(zhuǎn)的中子星，因不斷地發(fā)出電磁脈沖信號(hào)而得名。從脈沖星中遴選出脈沖信號(hào)穩(wěn)定的毫秒脈沖星，將來(lái)有望應(yīng)用于星際導(dǎo)航。
有一種說(shuō)法，5年后，“中國(guó)天眼”觀測(cè)到的脈沖星有望達(dá)到1000顆，有可能定位并識(shí)別出銀河系外的第一顆脈沖星。對(duì)此，姜鵬表示，“中國(guó)天眼”如果發(fā)現(xiàn)河外脈沖星特別是黑洞雙星系統(tǒng)的話(huà)，將可能是諾貝爾獎(jiǎng)級(jí)別的成果。不過(guò)，“中國(guó)天眼”只是給科學(xué)家提供一種可能性，重大成果的產(chǎn)出，有時(shí)候還需要一些運(yùn)氣。
姜鵬說(shuō)，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)將轉(zhuǎn)換心態(tài)與角色定位，由過(guò)去的建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)維更多轉(zhuǎn)變?yōu)榉⻊?wù)，建立公平觀測(cè)機(jī)制，努力為全球科學(xué)家提供良好服務(wù)�！拔磥�(lái)的舞臺(tái)中心一定屬于科學(xué)家，我們甘當(dāng)綠葉，陪襯他們的光輝�！彼f(shuō)。
