觀天巨眼FAST：讓中國射電天文領(lǐng)先世界二十年 科研“鐵軍”托舉大國重器

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，這里還是一個人跡罕至的地方。而今，大山環(huán)抱之下，一個“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個標(biāo)準(zhǔn)足球場那么大。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(xué)家伽利略首次發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，把宇宙拉近到人類面前。射電天文學(xué)則讓人認(rèn)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(jì)30年代，射電天文學(xué)興起。繼美國工程師央斯基發(fā)現(xiàn)了發(fā)射自銀河系中心的無線電波后，美國科學(xué)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(rèn)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(fā)現(xiàn)，讓射電天文學(xué)迅速崛起。

不過，射電天文學(xué)與其他學(xué)科的重大不同之處，就在于它是以觀測為基礎(chǔ)的學(xué)科。觀測直接依賴于技術(shù)，射電望遠(yuǎn)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(xué)聯(lián)盟大會上，與會科學(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”。時任中國科學(xué)院北京天文臺副臺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(shè)想的，是一個500米口徑的超級射電望遠(yuǎn)鏡。但是，當(dāng)時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)時中國最大的射電望遠(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，南仁東的想法簡直是天方夜譚。但他并非一時頭腦發(fā)熱。多年來，在觀測上依賴外國射電望遠(yuǎn)鏡窘境，讓他太想擁有屬于中國自己的超級望遠(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)家們通過衛(wèi)星遙感把貴州喀斯特山區(qū)翻了個遍。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年啟動選址，至此已經(jīng)過去了12年。

“中國天眼”的建設(shè)，是一個史無前例的超級大工程，涉及天文學(xué)、力學(xué)、機(jī)械工程和巖土工程等各個領(lǐng)域，每一個領(lǐng)域幾乎都是開創(chuàng)性的工作，國際上沒有成熟的經(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(xué)院國家天文臺對外公布，“中國天眼”發(fā)現(xiàn)2顆新脈沖星，距離地球分別約4100光年和1.6萬光年。

這是我國射電望遠(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。”

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(yuǎn)閉上了雙眼。但是，他為中國射電天文學(xué)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(diào)試期間，還是正式投入運(yùn)行，“中國天眼”的表現(xiàn)沒有讓人失望。

截至目前，“中國天眼”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)之無愧的“世界第一”。

FAST中心常務(wù)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(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，默默堅守，攻堅克難。

2008年，潘高峰博士畢業(yè)后加入FAST團(tuán)隊(duì)，他說，13年風(fēng)風(fēng)雨雨一路走來，經(jīng)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(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，如今已成長為FAST中心機(jī)械組組長。在FAST建設(shè)期間，她探索解決FAST饋源艙超重問題的創(chuàng)新方法，最終摒棄多年圓柱體形狀的設(shè)計方案，創(chuàng)造性研制了現(xiàn)在的“鉆石三角形”饋源艙。

從姜鵬開始，孫京海、甘恒謙、于東駿、錢磊……幾乎每個人都有說不完的故事。

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“中國天眼”。

開放：“中國天眼”讓人類看得更遠(yuǎn)

曾經(jīng)“世界第一”的美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)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(yuǎn)鏡。正因?yàn)樽吭降木C合性能，“中國天眼”對于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(xué)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(xué)家均可提出申請，經(jīng)審核后可使用“中國天眼”開展觀測和研究。雖然射電天文學(xué)的初衷就是為讓人類看得更遠(yuǎn)，但是，“中國天眼”是我國自主研制的先進(jìn)大型天文觀測設(shè)備，國際上并沒有任何一個硬性規(guī)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(nèi)外的天文學(xué)家申請觀測非常踴躍，不過“中國天眼”今年將只對外開放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(yuǎn)鏡的前沿科學(xué)問題。”

觀測時長是科學(xué)產(chǎn)出的重要保障，讓姜鵬欣慰的是，“中國天眼”運(yùn)行情況穩(wěn)定，每天可以保證20個小時左右的觀測時長，每年大概可以運(yùn)行7000個機(jī)時，去除維護(hù)和測試時間，正常觀測時間應(yīng)該不少于5000個機(jī)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(yuǎn)鏡，就是不同難度級別的挑戰(zhàn)。”姜鵬說，在調(diào)試期間，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)把建設(shè)時遺留的一些問題解決了。目前，針對超級數(shù)據(jù)的傳輸和儲存問題，因中國科學(xué)院有穩(wěn)定的經(jīng)費(fèi)支持，也已經(jīng)得到了妥善解決。“‘中國天眼’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，“中國天眼”已經(jīng)啟動了脈沖星測時陣列、漂移掃描多科學(xué)目標(biāo)巡天等5個重大和優(yōu)先項(xiàng)目。外界預(yù)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(fā)現(xiàn)這么多脈沖星，需要做大量的后隨觀測，這給FAST團(tuán)隊(duì)帶來很大的挑戰(zhàn)，希望中國正在規(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)出電磁脈沖信號而得名。從脈沖星中遴選出脈沖信號穩(wěn)定的毫秒脈沖星，將來有望應(yīng)用于星際導(dǎo)航。

有一種說法，5年后，“中國天眼”觀測到的脈沖星有望達(dá)到1000顆，有可能定位并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(fā)現(xiàn)河外脈沖星特別是黑洞雙星系統(tǒng)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(xué)家提供一種可能性，重大成果的產(chǎn)出，有時候還需要一些運(yùn)氣。

姜鵬說，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)將轉(zhuǎn)換心態(tài)與角色定位，由過去的建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)維更多轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)，建立公平觀測機(jī)制，努力為全球科學(xué)家提供良好服務(wù)。“未來的舞臺中心一定屬于科學(xué)家，我們甘當(dāng)綠葉，陪襯他們的光輝。”他說。(何星輝 周泓汛張華)