让中国射电天文领先世界二十年

UFO爱好者

　　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。
               
               

                           

                        
                        
                                
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本文转载自：                                        科技日报
                                        2021-05-26
                                        作者：何星辉