觀天巨眼FAST:讓中國射電天文領先世界二十年

2021年05月26日08:29  來源:科技日報
 
原標題:觀天巨眼FAST:讓中國射電天文領先世界二十年

它能看穿130多億光年的區域。作為世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡,“中國天眼”大大拓展了人類視野,對促進我國天文學現重大原創突破具有重要意義。

緊閉的電動門,擋住了去路,“正在觀測”的警示牌格外醒目。這是貴州平塘大窩凼——“中國天眼”所在地。

誰能想到,20多年前,這裡還是一個人跡罕至的地方。而今,大山環抱之下,一個“觀天巨眼”靜臥在大窩凼裡,仰望蒼穹,以“一眼千年”的神技獨步世界。

“中國天眼”的學名是500米口徑射電望遠鏡(FAST),其發射面積相當於30個標准足球場那麼大。如果在裡面倒滿礦泉水,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鏡,它將讓中國在射電天文領域領先世界20年。從跟跑到領跑,這背后,是中國不斷崛起的科技力量。

造“鍋”:歷時22年建成觀天巨眼

意大利天文學家伽利略首次發明了望遠鏡,把宇宙拉近到人類面前。射電天文學則讓人認識到另外一個全新的世界,一個不能由人的感官所感受的全新世界。

20世紀30年代,射電天文學興起。繼美國工程師央斯基發現了發射自銀河系中心的無線電波后,美國科學家格羅特·雷伯在自家后院架起專門的天線,用以探測來自天空的射電,被星際塵埃遮蔽的廣闊太空世界,第一次為人們所認識。而后,類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射這四大天文發現,讓射電天文學迅速崛起。

不過,射電天文學與其他學科的重大不同之處,就在於它是以觀測為基礎的學科。觀測直接依賴於技術,射電望遠鏡口徑越大,觀測的靈敏度就越高。

1993年,在日本東京召開的國際無線電科學聯盟大會上,與會科學家提出,要在全球電波環境惡化到不可收拾之前,建造新一代射電“大望遠鏡”。時任中國科學院北京天文台副台長的南仁東坐不住了,他向同事提出:“我們也建一個吧!”

南仁東所設想的,是一個500米口徑的超級射電望遠鏡。但是,當時世界上最大的射電望遠鏡——阿雷西博射電望遠鏡,口徑也才305米。相比之下,當時中國最大的射電望遠鏡口徑不到30米,不管是技術還是設備都非常薄弱。

在很多人看來,南仁東的想法簡直是天方夜譚。但他並非一時頭腦發熱。多年來,在觀測上依賴外國射電望遠鏡窘境,讓他太想擁有屬於中國自己的超級望遠鏡。

選址、論証、立項、建設,哪一步都不容易。

為了給“大望遠鏡”安家,科學家們通過衛星遙感把貴州喀斯特山區翻了個遍。南仁東從200多張遙感圖像裡,挑選出所有接近圓形的窪地,然后悶著頭鑽進貴州的大山裡,最終將目標鎖定在了貴州平塘的大窩凼裡。從1994年啟動選址,至此已經過去了12年。

“中國天眼”的建設,是一個史無前例的超級大工程,涉及天文學、力學、機械工程和岩土工程等各個領域,每一個領域幾乎都是開創性的工作,國際上沒有成熟的經驗可以借鑒,南仁東帶領他的團隊一步一個腳印,終究踏平坎坷成大道。

2016年9月25日,“中國天眼”建成。

堅守:科研“鐵軍”托舉大國重器

2017年10月,中國科學院國家天文台對外公布,“中國天眼”發現2顆新脈沖星,距離地球分別約4100光年和1.6萬光年。

這是我國射電望遠鏡首次發現脈沖星,距“天眼之父”南仁東病逝不到1個月。南仁東真正走進大家視野,是他去世前在央視那一次,他用孱弱沙啞的聲音緩緩說出那一句:“FAST是全世界最先進、靈敏的射電望遠鏡,將探索宇宙百億光年的微弱信號。”

為了鑄就這口“大鍋”,南仁東耗盡了一生心血。最終,“中國天眼”開了“眼”,他卻永遠閉上了雙眼。但是,他為中國射電天文學開啟了一個10年至20年的“黃金期”。

令人欣慰的是,無論是在調試期間,還是正式投入運行,“中國天眼”的表現沒有讓人失望。

截至目前,“中國天眼”已發現脈沖星逾370顆,並在快速射電暴等研究領域取得系列重大突破,是當之無愧的“世界第一”。

FAST中心常務副主任、總工程師姜鵬說,“中國天眼”背后,是一支托舉起大國重器的科研“鐵軍”,面對惡劣的自然環境和零起步的科研項目,FAST團隊20多年如一日,默默堅守,攻堅克難。

2008年,潘高峰博士畢業后加入FAST團隊,他說,13年風風雨雨一路走來,經常能遇到“山窮水盡疑無路”的絕境,也能享受到“柳暗花明又一村”的喜悅。現為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、大跨度柔性六索並聯機器人研制建設、動光纜研制等任務。

清華學子姚蕊攻讀研究生階段便進入FAST項目組,如今已成長為FAST中心機械組組長。在FAST建設期間,她探索解決FAST饋源艙超重問題的創新方法,最終摒棄多年圓柱體形狀的設計方案,創造性研制了現在的“鑽石三角形”饋源艙。

從姜鵬開始,孫京海、甘恆謙、於東駿、錢磊……幾乎每個人都有說不完的故事。

在大窩凼裡,和南仁東一樣的這群百人科研“鐵軍”,默默守護著“中國天眼”。

開放:“中國天眼”讓人類看得更遠

曾經“世界第一”的美國阿雷西博望遠鏡發生坍塌之后,“中國天眼”便成了如今全球唯一的超大型射電望遠鏡。正因為卓越的綜合性能,“中國天眼”對於天文觀測和天文研究的重要性不言而喻,這也使得世界各國的科學家紛紛想要借助“中國天眼”開展研究。

2021年3月31日起,“中國天眼”面向全球開放,各國科學家均可提出申請,經審核后可使用“中國天眼”開展觀測和研究。雖然射電天文學的初衷就是為讓人類看得更遠,但是,“中國天眼”是我國自主研制的先進大型天文觀測設備,國際上並沒有任何一個硬性規定要求中國與全世界共享。因此,中國的這一舉動,堪稱國際科技界的一股清流。

姜鵬透露,目前,來自國內外的天文學家申請觀測非常踴躍,不過“中國天眼”今年將隻對外開放10%的觀測時間。“申請觀測的方向,基本覆蓋了中低頻射電望遠鏡的前沿科學問題。”

觀測時長是科學產出的重要保障,讓姜鵬欣慰的是,“中國天眼”運行情況穩定,每天可以保証20個小時左右的觀測時長,每年大概可以運行7000個機時,去除維護和測試時間,正常觀測時間應該不少於5000個機時。

“我們不只是做世界最大——要做最大很容易,滿地鋪,總能鋪出世界最大,但如果要做成好用的望遠鏡,就是不同難度級別的挑戰。”姜鵬說,在調試期間,FAST團隊就已經把建設時遺留的一些問題解決了。目前,針對超級數據的傳輸和儲存問題,因中國科學院有穩定的經費支持,也已經得到了妥善解決。“‘中國天眼’一年產生的數據大約在15PB左右,每秒鐘產生2GB,后者的數據量和下載一部電影相當。”

目前,“中國天眼”已經啟動了脈沖星測時陣列、漂移掃描多科學目標巡天等5個重大和優先項目。外界預測,未來3至5年,“中國天眼”的高靈敏度將有可能使其在低頻引力波探測、快速射電暴起源、星際分子等前沿方向取得突破。

姜鵬說,“中國天眼”發現這麼多脈沖星,需要做大量的后隨觀測,這給FAST團隊帶來很大的挑戰,希望中國正在規劃打造的其他大型望遠鏡能盡快建成。

脈沖星就是旋轉的中子星,因不斷地發出電磁脈沖信號而得名。從脈沖星中遴選出脈沖信號穩定的毫秒脈沖星,將來有望應用於星際導航。

有一種說法,5年后,“中國天眼”觀測到的脈沖星有望達到1000顆,有可能定位並識別出銀河系外的第一顆脈沖星。對此,姜鵬表示,“中國天眼”如果發現河外脈沖星特別是黑洞雙星系統的話,將可能是諾貝爾獎級別的成果。不過,“中國天眼”只是給科學家提供一種可能性,重大成果的產出,有時候還需要一些運氣。

姜鵬說,FAST團隊將轉換心態與角色定位,由過去的建設、調試、運維更多轉變為服務,建立公平觀測機制,努力為全球科學家提供良好服務。“未來的舞台中心一定屬於科學家,我們甘當綠葉,陪襯他們的光輝。”他說。(何星輝 周泓汛 張 華)

(責編:木勝玉、徐前)

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