中國故事丨“中國天眼”：極目百億光年之外

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國際學(xué)術(shù)期刊《自然·天文學(xué)》近期發(fā)表了中國科學(xué)家一項重要發(fā)現(xiàn)——通過“中國天眼”FAST的觀測，一顆原本被認(rèn)為“熄滅”的脈沖星，仍然可以探測到極其微弱的窄脈沖。這是“中國天眼”探測到的脈沖星輻射新形態(tài)，對揭示脈沖星磁層的極端物理環(huán)境等具有重要科學(xué)意義。

這顆脈沖星，是“中國天眼”FAST“入職”以來，發(fā)現(xiàn)的800余顆脈沖星中的一顆，這些重要發(fā)現(xiàn)為人類研究宇宙提供了很多有利的數(shù)據(jù)幫助。

從古人發(fā)出的“日月安屬？列星安陳？”的《天問》，到如今借助全球最大且最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，將人類“視界”延伸到百億光年之外。從選址、建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)營，“中國天眼”建設(shè)運(yùn)維過程中的每一個環(huán)節(jié)，無不在運(yùn)用中國智慧和中國制造，在人類極目宇宙的道路上貢獻(xiàn)著力量。

2022年7月24日拍攝的“中國天眼”夜景（維護(hù)保養(yǎng)期間拍攝，無人機(jī)光繪）。新華社記者 歐東衢 攝

“這是一個美麗的風(fēng)景、科學(xué)風(fēng)景！”

20世紀(jì)90年代，“中國天眼”設(shè)想提出時，大膽到有些突兀。

當(dāng)時中國最大的射電望遠(yuǎn)鏡口徑不到30米，德國的埃菲爾斯伯格望遠(yuǎn)鏡口徑100米的世界紀(jì)錄已保持多年，而“中國天眼”的目標(biāo)是500米。

中國曾是世界上天文記錄最久遠(yuǎn)、最完整的國家。在超過3000年的時間里，華夏文明連續(xù)不斷地記錄著各種天文現(xiàn)象，中國古代天文學(xué)家編制了100多種天文歷法，也發(fā)明了大量的天文儀器。

但近代以來，中國天文學(xué)跟其他科學(xué)技術(shù)一樣，大大落后于率先完成工業(yè)革命的西方國家。即便在上世紀(jì)，老一輩天文學(xué)家也只能尋求與國外合作，相當(dāng)于借用別人的望遠(yuǎn)鏡，大多只能做一些邊緣課題。

FAST的理想建造地對地形、地質(zhì)、水文等都有著極高要求，為了給望遠(yuǎn)鏡找個最合適的“家”，當(dāng)時年近50歲的南仁東帶著團(tuán)隊與300多幅衛(wèi)星遙感圖，風(fēng)餐露宿地奔走于貴州大山深處。

這是一張拼版照片：依次為“中國天眼”拼裝第一塊反射面板（左上，2015年8月攝）、“中國天眼”反射面板安裝近半（右上，2015年12月攝）、“中國天眼”反射面板安裝近八成（左下，2016年3月攝）、維護(hù)保養(yǎng)期間的“中國天眼”（右下，2022年7月攝）（無人機(jī)照片）。新華社記者 歐東衢 攝

12年時間里，他們幾乎走遍了貴州所有的喀斯特洼地，最終從300多個候選洼地里，選擇了平塘縣大窩凼——最適合“天眼”的深深“眼窩”。

2011年3月動工開建，2016年9月落成啟用，橫空出世的“中國天眼”刷新了世人對射電望遠(yuǎn)鏡的認(rèn)知極限：

口徑500米，僅圈梁、索網(wǎng)和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬多噸鋼材；反射面板總面積25萬平方米，相當(dāng)于30個標(biāo)準(zhǔn)足球場，用掉2000多噸鋁合金；如果將“中國天眼”裝滿水，全世界每人可以分到2升……

“中國天眼”落成啟用當(dāng)日，71歲的南仁東站在“中國天眼”的圈梁上對記者深情地說：“這是一個美麗的風(fēng)景、科學(xué)風(fēng)景！”

2017年9月，南仁東因肺癌去世。走前，他實現(xiàn)了奮斗一生的夢想——建一臺世界最大最強(qiáng)的射電望遠(yuǎn)鏡?，F(xiàn)在，“中國天眼”已成為全球最大且最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，極大拓展了人類觀察宇宙視野的極限。

反復(fù)試驗、多次失敗、越挫越勇

獨(dú)一無二的科學(xué)工程，沒有經(jīng)驗可循，注定會面臨史無前例的挑戰(zhàn)。

反射面板如“中國天眼”的“視網(wǎng)膜”，索網(wǎng)則是支撐“視網(wǎng)膜”的“神經(jīng)系統(tǒng)”?！爸袊煅邸狈瓷涿姘咫m只有1毫米厚，也要使用2000多噸鋁合金，其索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的，對抗疲勞性能的要求極高，現(xiàn)有鋼索都難堪重任。

2022年7月22日，工作人員對“中國天眼”的反射面板進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)（維護(hù)保養(yǎng)期間拍攝）。新華社記者 歐東衢 攝

FAST運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任、總工程師姜鵬帶著一幫青年人，用整整兩年時間，進(jìn)行了大規(guī)模的索疲勞試驗。近百次失敗，從千頭萬緒中不斷探尋解決問題的關(guān)鍵，終于攻克超高強(qiáng)度、抗反復(fù)拉伸的鋼索，首創(chuàng)主動變形反射面，使望遠(yuǎn)鏡覆蓋40度天頂角，成功支撐起“中國天眼”的“視網(wǎng)膜”。

“沒人告訴你可以怎么做，誰也沒有把握自己的方法一定行。”姜鵬告訴記者，“反復(fù)試驗、多次失敗、越挫越勇”的艱難攻關(guān)幾乎貫穿了FAST建設(shè)階段的每一個環(huán)節(jié)。

僅在建設(shè)階段，“中國天眼”就獲得了鋼結(jié)構(gòu)、自動化產(chǎn)業(yè)、機(jī)械工業(yè)、創(chuàng)新設(shè)計、測繪地理信息技術(shù)、電磁兼容研發(fā)、建設(shè)工程等10余個領(lǐng)域的國家大獎。

在調(diào)試階段，“中國天眼”又碰到難題?！啊e木’搭好了，但望遠(yuǎn)鏡不能按照總控的指令高效運(yùn)行?！盕AST運(yùn)行和發(fā)展中心測控部主任孫京海說，“簡單的修復(fù)解決不了問題，控制系統(tǒng)必須推倒重建。”

為了盡快開發(fā)出新的控制系統(tǒng)，孫京海無數(shù)次挑燈夜戰(zhàn)至東方既白，幾乎重寫了全部核心算法代碼。他心里只有一個信念：不能讓工程調(diào)試進(jìn)度耽誤在自己這里。最終，在正式測試時，一套為“中國天眼”量身定制的控制系統(tǒng)，所有指標(biāo)一次通過。

“中國天眼”世界最大、最靈敏的特性，激發(fā)了很多特殊的技術(shù)需求，需要中國科學(xué)家們充分發(fā)揮主觀能動性和創(chuàng)造力，在不斷“挑戰(zhàn)認(rèn)知和技術(shù)極限”、不斷“發(fā)現(xiàn)問題、解決問題”中優(yōu)化升級。

今年7月底，在中國科學(xué)院國家天文臺、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等10家單位共同努力下，國家重點研發(fā)計劃“智能機(jī)器人”重點專項“重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施FAST運(yùn)行維護(hù)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)”項目通過驗收，極大提升了“中國天眼”運(yùn)維質(zhì)效，年觀測時間可增加1000小時左右。

7月26日，工作人員在調(diào)試饋源接收機(jī)拆裝機(jī)器人。新華社記者 歐東衢 攝

不斷拓展人類觀天視野極限

發(fā)現(xiàn)800余顆新脈沖星、首次在射電波段觀測到黑洞“脈搏”、探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)……“中國天眼”成果頻出，不斷拓展人類觀測宇宙的視野極限。

6月23日拍攝的“中國天眼”全景（維護(hù)保養(yǎng)期間拍攝，無人機(jī)照片）。新華社記者 歐東衢 攝

快速射電暴（FRB）是宇宙中最明亮的射電爆發(fā)現(xiàn)象，在1毫秒的時間內(nèi)能釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。

得益于“中國天眼”的超高靈敏度，中國科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了首例持續(xù)活躍重復(fù)快速射電暴FRB 20190520B，對更好理解這一宇宙神秘現(xiàn)象具有重要意義。

國家天文臺研究員李柯伽所在的中國脈沖星測時陣列（CPTA）研究團(tuán)隊利用“中國天眼”，探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵性證據(jù)。

“FAST的靈敏度讓中國天文學(xué)家站在了人類視野的最前沿。”李柯伽說，憑借“中國天眼”的優(yōu)良性能，CPTA研究團(tuán)隊以數(shù)據(jù)精度、脈沖星數(shù)量和數(shù)據(jù)處理算法上的優(yōu)勢，彌補(bǔ)了觀測時長的差距，使我國納赫茲引力波探測和研究同步達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

“敢為人先的魄力、追求極致的毅力、持之以恒的定力，是FAST的成功秘訣?！苯i說。

總策劃：趙丹平、顧錢江

監(jiān)制：閔捷

統(tǒng)籌：衛(wèi)鐵民

記者：歐東衢、吳簫劍、潘德鑫、吳思

視頻：吳斯洋、劉勤兵、楊欣

編輯：劉暢、徐欣濤

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