緊閉的電動門,擋住了去路,“正在觀測”的警示牌格外醒目。這是貴州平塘大窩氹——“中國天眼”所在地。
誰能想到,20多年前,這裏還是一個(ge) 人跡罕至的地方。而今,大山環抱之下,一個(ge) “觀天巨眼”靜臥在大窩氹裏,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),其發射麵積相當於(yu) 30個(ge) 標準足球場那麽(me) 大。如果在裏麵倒滿礦泉水,全世界70億(yi) 人平均每人可分4瓶。
作為(wei) 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(cong) 跟跑到領跑,這背後,是中國不斷崛起的科技力量。
造“鍋”:曆時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,把宇宙拉近到人類麵前。射電天文學則讓人認識到另外一個(ge) 全新的世界,一個(ge) 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(xing) 起。繼美國工程師央斯基發現了發射自銀河係中心的無線電波後,美國科學家格羅特·雷伯在自家後院架起專(zhuan) 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(wei) 人們(men) 所認識。而後,類星體(ti) 、脈衝(chong) 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(yu) 其他學科的重大不同之處,就在於(yu) 它是以觀測為(wei) 基礎的學科。觀測直接依賴於(yu) 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(dong) 京召開的國際無線電科學聯盟大會(hui) 上,與(yu) 會(hui) 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(dong) 坐不住了,他向同事提出:“我們(men) 也建一個(ge) 吧!”
南仁東(dong) 所設想的,是一個(ge) 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(dong) 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(yu) 中國自己的超級望遠鏡。
選址、論證、立項、建設,哪一步都不容易。
為(wei) 了給“大望遠鏡”安家,科學家們(men) 通過衛星遙感把貴州喀斯特山區翻了個(ge) 遍。南仁東(dong) 從(cong) 200多張遙感圖像裏,挑選出所有接近圓形的窪地,然後悶著頭鑽進貴州的大山裏,最終將目標鎖定在了貴州平塘的大窩氹裏。從(cong) 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(ge) 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(ge) 領域,每一個(ge) 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(dong) 帶領他的團隊一步一個(ge) 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(jun) ”托舉(ju) 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顆新脈衝(chong) 星,距離地球分別約4100光年和1.6萬(wan) 光年。
這是我國射電望遠鏡首次發現脈衝(chong) 星,距“天眼之父”南仁東(dong) 病逝不到1個(ge) 月。南仁東(dong) 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(yi) 光年的微弱信號。”
為(wei) 了鑄就這口“大鍋”,南仁東(dong) 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(wei) 中國射電天文學開啟了一個(ge) 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”已發現脈衝(chong) 星逾370顆,並在快速射電暴等研究領域取得係列重大突破,是當之無愧的“世界第一”。
FAST中心常務副主任、總工程師薑鵬說,“中國天眼”背後,是一支托舉(ju) 起大國重器的科研“鐵軍(jun) ”,麵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(ye) 後加入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(wei) FAST中心綜合管理部主任的潘高峰,先後完成FAST饋源支撐六塔選址、大跨度柔性六索並聯機器人研製建設、動光纜研製等任務。
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(wei) FAST中心機械組組長。在FAST建設期間,她探索解決(jue) FAST饋源艙超重問題的創新方法,最終摒棄多年圓柱體(ti) 形狀的設計方案,創造性研製了現在的“鑽石三角形”饋源艙。
從(cong) 薑鵬開始,孫京海、甘恒謙、於(yu) 東(dong) 駿、錢磊……幾乎每個(ge) 人都有說不完的故事。
在大窩氹裏,和南仁東(dong) 一樣的這群百人科研“鐵軍(jun) ”,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後,“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(wei) 卓越的綜合性能,“中國天眼”對於(yu) 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”麵向全球開放,各國科學家均可提出申請,經審核後可使用“中國天眼”開展觀測和研究。雖然射電天文學的初衷就是為(wei) 讓人類看得更遠,但是,“中國天眼”是我國自主研製的先進大型天文觀測設備,國際上並沒有任何一個(ge) 硬性規定要求中國與(yu) 全世界共享。因此,中國的這一舉(ju) 動,堪稱國際科技界的一股清流。
薑鵬透露,目前,來自國內(nei) 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(chan) 出的重要保障,讓薑鵬欣慰的是,“中國天眼”運行情況穩定,每天可以保證20個(ge) 小時左右的觀測時長,每年大概可以運行7000個(ge) 機時,去除維護和測試時間,正常觀測時間應該不少於(yu) 5000個(ge) 機時。
“我們(men) 不隻是做世界最大——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。”薑鵬說,在調試期間,FAST團隊就已經把建設時遺留的一些問題解決(jue) 了。目前,針對超級數據的傳(chuan) 輸和儲(chu) 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(jue) 。“‘中國天眼’一年產(chan) 生的數據大約在15PB左右,每秒鍾產(chan) 生2GB,後者的數據量和下載一部電影相當。”
目前,“中國天眼”已經啟動了脈衝(chong) 星測時陣列、漂移掃描多科學目標巡天等5個(ge) 重大和優(you) 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。
薑鵬說,“中國天眼”發現這麽(me) 多脈衝(chong) 星,需要做大量的後隨觀測,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。
脈衝(chong) 星就是旋轉的中子星,因不斷地發出電磁脈衝(chong) 信號而得名。從(cong) 脈衝(chong) 星中遴選出脈衝(chong) 信號穩定的毫秒脈衝(chong) 星,將來有望應用於(yu) 星際導航。
有一種說法,5年後,“中國天眼”觀測到的脈衝(chong) 星有望達到1000顆,有可能定位並識別出銀河係外的第一顆脈衝(chong) 星。對此,薑鵬表示,“中國天眼”如果發現河外脈衝(chong) 星特別是黑洞雙星係統的話,將可能是諾貝爾獎級別的成果。不過,“中國天眼”隻是給科學家提供一種可能性,重大成果的產(chan) 出,有時候還需要一些運氣。
薑鵬說,FAST團隊將轉換心態與(yu) 角色定位,由過去的建設、調試、運維更多轉變為(wei) 服務,建立公平觀測機製,努力為(wei) 全球科學家提供良好服務。“未來的舞台中心一定屬於(yu) 科學家,我們(men) 甘當綠葉,陪襯他們(men) 的光輝。”他說。
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