2019年8月27日拍攝的“中國天眼”（檢修期間拍攝）。新華社記者 歐東衢攝
“中國天眼”全景（無人機照片）。新華社記者 歐東衢攝
夜幕下的“中國天眼”。新華社記者 歐東衢攝
“嘟嗚嘟——嘟嗚嘟——”
“嘟——嘟——”
2017年10月10日，北四環(huán)外，國家天文臺。當距離地球1.6萬光年外和4100光年外的脈沖信號在現(xiàn)場響起，在座的嘉賓無一不屏氣凝神，側(cè)耳傾聽。這是我國自主設(shè)計制造的射電望遠鏡首次發(fā)現(xiàn)脈沖星，也是中國天眼（FAST）的成果“首秀”。
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。如今距離第一次公開“亮相”不到4年時間，中國天眼已發(fā)現(xiàn)脈沖星300多顆，在世界天文史上鐫刻下新的高度。
“得益于‘中國天眼’超高靈敏度，我們已經(jīng)將脈沖星的測時精度提升至少一個數(shù)量級，這有望使人類首次具備納赫茲引力波的探測能力?？梢哉f，我們已經(jīng)走在‘出大成果’的攀登之路上?！敝袊茖W院院士、國家天文臺臺長常進說。
二十余載鑄一“鍋”
中國天眼，全稱“500米口徑球面射電望遠鏡”（FAST），坐落于貴州省平塘縣的一處大窩凼。作為世界最大的單口徑射電望遠鏡，這口“大鍋”究竟有多大？它的總面積相當于30個標準足球場。
為何要建這口“大鍋”？射電望遠鏡的基本原理和鍋式衛(wèi)星天線差不多，都是用“鍋”的拋物面反射信號，通過“鍋”的反射聚焦，把信號聚攏，以便用饋源“天線”接收信號?！板仭痹酱?，就越能接收到微弱的電磁波，觀測宇宙的“視力”就更好。
25米與350米，這是此前中國與美國擁有的射電望遠鏡口徑的差距，而口徑大小直接決定眼力所及?！耙谥袊耐恋厣希ㄔ焓澜缟献畲蟮纳潆娡h鏡，以免讓中國在宇宙探索中受制于人。”上世紀90年代，時任北京天文臺副臺長的南仁東等老一輩天文學家提出建設(shè)中國天眼的構(gòu)想。
質(zhì)疑紛至沓來。南仁東卻有自己的堅持，“別人都有自己的大設(shè)備，我們沒有，我挺想試一試”。有那么幾年時間，南仁東成了一名“推銷員”，大會小會、中國外國，逢人就推銷自己的大望遠鏡項目。
不服輸，磨破嘴，跑斷腿，F(xiàn)AST終于立項，有人調(diào)侃，“老南，億萬富翁啊”。他笑著搖搖頭：“千萬負翁?！笔堑?，理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。項目建設(shè)之初，經(jīng)費緊缺，聽說貴州喀斯特洼地多，能選出性價比最高的天眼臺址，南仁東帶領(lǐng)團隊一頭扎進了貴州深山，一找就是12年。
這期間，為了更清晰地了解現(xiàn)場，年過半百的南仁東常常身先士卒，跟著大家一起在曲折難走的山路中爬上爬下。在去陡峭山頂時，有人勸他在山下等著，看完結(jié)果告訴他，而他說：“我要和你們一起上去，看看實際的情況?！?/p>
就這樣，南仁東帶領(lǐng)團隊十二年如一日地找找找。最終，貴州省的大窩凼洼地以絕對優(yōu)勢從400多個候選地中脫穎而出，成為最后的勝利者。如果說FAST是一枚觀天巨眼，那大窩凼這個精挑細選的天坑就是一只天造地設(shè)的眼窩。以整座山窩作為臺址，是一項取法自然的創(chuàng)舉，讓現(xiàn)代科技的精密與大自然的偉岸相輔相成。
于雷聲中辨蟬鳴
選址，不是唯一難題。
500米口徑球面射電望遠鏡，F(xiàn)AST的全新設(shè)計理念開創(chuàng)了建造巨型望遠鏡的新模式，突破了傳統(tǒng)望遠鏡的百米工程極限，同時也帶來了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)設(shè)計，F(xiàn)AST巨大的反射面要能根據(jù)天體的目標位置實時地主動調(diào)節(jié)形狀，30噸的饋源艙要在140米的高空、206米的范圍內(nèi)運動，所有的控制精度要達到毫米級。
“這在我當時的認知范圍內(nèi)覺得太不可思議了。”回憶當年的情形，F(xiàn)AST運行和發(fā)展中心常務副主任、總工程師姜鵬曾在接受媒體采訪時坦陳，甚至一度覺得這個項目可能是一個忽悠人的項目。
的確，巨大的工程體量、超高精度要求以及特殊的工作方式，讓FAST的艱難程度遠超想象。怎么辦？過河架橋、逢山開路，F(xiàn)AST團隊克服了力學、材料、大尺度結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域諸多技術(shù)難題，鑄就了獨一無二、世界領(lǐng)先的超級工程——中國天眼。
例如，他們研制的超高耐疲勞特性的鋼索，超過國內(nèi)、國際相關(guān)標準規(guī)范的2.5倍；創(chuàng)新采用世界上最大跨度柔性并聯(lián)機器人和剛性6自由度并聯(lián)機器人構(gòu)成的兩級調(diào)整機構(gòu)，實現(xiàn)了饋源均方根值10毫米的高精度定位；創(chuàng)造性地將衛(wèi)星定位、慣導和全站儀多種測量技術(shù)融合，實現(xiàn)了全天候、大尺度、高精度的饋源支撐系統(tǒng)動態(tài)測量……
苦心人天不負，百二秦關(guān)終屬楚。選址、論證、設(shè)計、建設(shè)，在黨中央和國務院關(guān)懷下，經(jīng)過前后四代數(shù)百名科研工作者堅持不懈地努力，2016年9月FAST落成啟用，2020年1月通過國家驗收，無可爭議地成為當今世界上最靈敏的射電望遠鏡。
與號稱“地面最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比，F(xiàn)AST綜合性能提高約10倍；與排在阿波羅登月之前、被評為人類20世紀10大工程之首的美國阿雷西博射電望遠鏡（Arecibo）相比，F(xiàn)AST靈敏度提高約2.5倍。從理論上講，F(xiàn)AST可接收到137億光年以外的電磁信號，這個距離接近宇宙邊緣。曾有專家形象地說，“它靈敏到可以在雷聲中分辨出蟬鳴”。
走到視界最前沿
2020年10月29日和11月5日，兩篇基于中國天眼的快速射電暴方面的研究成果在《自然》雜志發(fā)表，讓中國天眼再次站上了世界舞臺。
關(guān)于快速射電暴的起源機制，此前眾說紛紜。這些理論研究主要劃分成兩大“門派”，一方認為這樣的毫秒射電爆發(fā)是宇宙災變事件造成的爆發(fā)，而另一方則認為它是粒子在強磁場中穿行產(chǎn)生的?！癋AST的觀測結(jié)果直接終結(jié)了‘理論爭鋒’，通過對11次射電爆發(fā)的高靈敏度偏振信號解析，我國科研人員用直接的觀測結(jié)果否定了宇宙災變的理論。”在中科院國家天文臺首席研究員韓金林看來，F(xiàn)AST的順利運行使得我國相關(guān)科研團隊迅速成為國際快速射電暴領(lǐng)域的核心研究力量。
不只是快速射電暴“捕捉能手”，隨著性能的提升，F(xiàn)AST的科學潛力正逐步顯現(xiàn)：超強靈敏度使其在射電瞬變源方面具有重大潛力，有望在短時間內(nèi)實現(xiàn)納赫茲的引力波探測、捕捉到宇宙大爆炸時期的原初引力波，為研究宇宙大爆炸原初時刻的物理過程提供數(shù)據(jù)支撐。
不僅如此，F(xiàn)AST還有另外一個重要用途：探測低頻引力波。2016年2月，LIGO合作組宣布首次直接探測到廣義相對論預言已久的引力波之后，對引力波的探測已經(jīng)成為天文學界的熱門話題。通過對毫秒脈沖星的長期監(jiān)測，選取一定數(shù)目的毫秒脈沖星組成計時陣列，可以探測來自超大質(zhì)量雙黑洞等天體發(fā)出的低頻引力波。
此外，在高精度地礦勘探方面，F(xiàn)AST可以利用慣性組件與衛(wèi)星導航融合技術(shù)，為重力測量提供高精度的位置和方位姿態(tài)基準；在海洋測繪中，F(xiàn)AST采用慣性組件與聲吶等測量技術(shù)融合，實現(xiàn)海底測繪，為勘探區(qū)作業(yè)的機器設(shè)備建立高精度的時空和姿態(tài)基準。
“感官安寧，萬籟無聲，美麗的宇宙太空，正以它的神秘和絢麗，召喚我們踏過平庸，進入無垠的廣袤?！边@是人民科學家南仁東先生對宇宙的深情告白。
20多年鑄一鍋，而今“天眼”始開。宇宙浩瀚，中國天眼的征程才剛剛開始。（沈 慧 佘惠敏）
（責任編輯：蔡文斌）
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