“超級(jí)天眼”的探索與追問(wèn)

人類(lèi)關(guān)于宇宙新知的探索又邁進(jìn)了一步。

9月25日，有著“超級(jí)天眼”之稱(chēng)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡將在貴州平塘的喀斯特洼坑中落成啟用，吸引著世界目光。

1609年，意大利科學(xué)家伽利略用自制的天文望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了月球表面高低不平的環(huán)形山，成為利用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體第一人。400多年后，代表中國(guó)科技高度的大射電望遠(yuǎn)鏡，將首批觀測(cè)目標(biāo)鎖定在直徑10萬(wàn)光年的銀河系邊緣，探究恒星起源的秘密，也將在世界天文史上鐫刻下新的刻度。

宇宙到底有多大？這是人類(lèi)秉承探索發(fā)現(xiàn)的天性不斷追尋的問(wèn)題。在發(fā)現(xiàn)未知地帶的征程中，中國(guó)天文人將不畏艱苦、不斷創(chuàng)新，奏響探索宇宙的新暢想曲。

“發(fā)現(xiàn)”的高手，大射電成我國(guó)天文學(xué)躋身世界一流的突破口

望遠(yuǎn)鏡“鍋蓋”越大越靈敏，500米的“超級(jí)天眼”究竟有多靈敏？科學(xué)家打了個(gè)比方，有人在月亮上打手機(jī)，也逃不過(guò)它的“眼睛”。而對(duì)老一輩天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，擁有這樣的望遠(yuǎn)鏡一直是個(gè)夢(mèng)。我國(guó)天文學(xué)長(zhǎng)期落后，主要受制于望遠(yuǎn)鏡設(shè)備。二戰(zhàn)后射電天文學(xué)方興未艾，接連涌現(xiàn)類(lèi)星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射四大天文發(fā)現(xiàn)，而我國(guó)在這一領(lǐng)域卻長(zhǎng)期處于空白狀態(tài)。

走過(guò)蹣跚學(xué)步、仰望西方強(qiáng)國(guó)的階段，近年來(lái)我國(guó)陸續(xù)建成5座射電望遠(yuǎn)鏡，口徑從25米到65米不等。不過(guò)，與美國(guó)的305米口徑和德國(guó)100米口徑射電望遠(yuǎn)鏡相比，我們的射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力還比較有限。

“天文設(shè)備按國(guó)際慣例都是開(kāi)放的，但中國(guó)人要獨(dú)立申請(qǐng)使用國(guó)外望遠(yuǎn)鏡比較難。國(guó)內(nèi)外設(shè)備差距比較大，缺乏平等合作的基礎(chǔ)?！眹?guó)家天文臺(tái)“百人計(jì)劃”研究員、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程科學(xué)部主任朱明說(shuō)，只有走自主研制之路，才可以扭轉(zhuǎn)這一局面。

“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡建成，將為我國(guó)天文學(xué)躋身世界一流創(chuàng)造條件?！敝锌圃簢?guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)嚴(yán)俊表示。

國(guó)家天文臺(tái)射電天文研究部首席科學(xué)家、“千人計(jì)劃”專(zhuān)家李藥說(shuō)，中國(guó)大射電在很多領(lǐng)域都具備超強(qiáng)的能力：發(fā)現(xiàn)氣體星系有望在過(guò)去的基礎(chǔ)上提高10倍，發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量有望翻倍，有望發(fā)現(xiàn)新的星際分子……

射電望遠(yuǎn)鏡誕生至今，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)約2500顆脈沖星，它們?nèi)课挥阢y河系內(nèi)?？茖W(xué)家們將中國(guó)大射電首批觀測(cè)目標(biāo)鎖定在銀河系外，希望依靠其超群的靈敏度搜尋河外星系的脈沖星。“發(fā)現(xiàn)更多脈沖星，從脈沖星中遴選出脈沖信號(hào)穩(wěn)定的毫秒級(jí)脈沖星，將來(lái)有望應(yīng)用于空間飛行器導(dǎo)航領(lǐng)域?！眹?yán)俊說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究都處于概念階段。

拓寬科技維度，“天眼”聯(lián)網(wǎng)才能洞穿宇宙迷霧

今天天文領(lǐng)域講究立體化作戰(zhàn)，僅有500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡還遠(yuǎn)不夠。從某一點(diǎn)看宇宙，視野有限，望遠(yuǎn)鏡要形成陣列才能發(fā)揮更強(qiáng)威力?！按笊潆娚瞄L(zhǎng)的觀測(cè)頻率是中低頻，而高頻的亞毫米波、毫米波領(lǐng)域也需要更強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡，才能形成比較完備的觀測(cè)體系?！敝烀鹘忉屨f(shuō)。

按計(jì)劃，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡將和我國(guó)其他5座射電望遠(yuǎn)鏡組成“天眼”群——甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(wǎng)，并主導(dǎo)國(guó)際射電領(lǐng)域的低頻測(cè)量網(wǎng)，從而更好地獲取天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)。未來(lái)5至10年，大射電等項(xiàng)目只是我國(guó)大望遠(yuǎn)鏡建設(shè)浪潮的前浪。據(jù)嚴(yán)俊透露，中國(guó)12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡已初步通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審，有望于“十三五”規(guī)劃期間立項(xiàng)。

目前，我國(guó)最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是位于云南麗江的2.4米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，與國(guó)際上領(lǐng)先的西班牙10.4米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、美國(guó)10米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和日本8米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡等仍有較大差距。12米光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡建成后將為暗能量本質(zhì)、引力波源光學(xué)認(rèn)證和研究、太陽(yáng)系外類(lèi)地行星探測(cè)、超大質(zhì)量黑洞、第一代恒星等前沿科學(xué)問(wèn)題提供在國(guó)際上有競(jìng)爭(zhēng)力的觀測(cè)平臺(tái)。有紅外望遠(yuǎn)鏡，就有紫外望遠(yuǎn)鏡和x射線望遠(yuǎn)鏡，我國(guó)正計(jì)劃把望遠(yuǎn)鏡家族的基地拓展到空間領(lǐng)域。

今年年底，我國(guó)將發(fā)射自主研制的硬x射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星，它可以進(jìn)行寬波段大天區(qū)x射線巡天成像，具有獨(dú)特的觀測(cè)黑洞、中子星等高能天體多波段x射線快速光變的能力，并可以監(jiān)視天空的高能爆發(fā)現(xiàn)象。

“隨著我國(guó)空間站逐步具備維護(hù)在軌航天器功能，建造中國(guó)版‘哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的呼聲也越來(lái)越高。”嚴(yán)俊說(shuō)，立體化作戰(zhàn)的望遠(yuǎn)鏡集群，不僅將大幅提升我國(guó)在天文科學(xué)與技術(shù)方面的自主創(chuàng)新能力，還能廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位、航天、深空探測(cè)等領(lǐng)域。

二十年“鑄天鏡”。開(kāi)啟射電天文學(xué)的“黃金時(shí)代”

天文學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)看上去顯得“高大上”，但實(shí)際上離我們的生活卻很近：射電天文學(xué)家在研究中的副產(chǎn)品WLAN技術(shù)，成了今天每個(gè)人生活都離不開(kāi)的WiFi技術(shù)的前身；天文學(xué)類(lèi)地行星的研究，讓我們有了與“來(lái)自星星的你”交流的靈感……

“古有十年磨一劍，今有二十年‘鑄天鏡。國(guó)家加大對(duì)天文觀測(cè)設(shè)施的投入，是綜合國(guó)力提升的體現(xiàn)，也是工業(yè)制造水平的縮影?！敝锌圃簢?guó)家天文臺(tái)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡工程副經(jīng)理彭勃說(shuō)。

為了建造500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，我國(guó)天文學(xué)家等待了22年，研究和建設(shè)團(tuán)隊(duì)也從1994年以南仁東、彭勃為核心的5人小組擴(kuò)展至上百人。自主創(chuàng)新的同時(shí)，我國(guó)還參與多個(gè)國(guó)際合作的望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，包括世界上正在研制的兩套新一代巨型望遠(yuǎn)鏡——30米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和平方公里陣射電望遠(yuǎn)鏡。30米光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拼接主鏡將具備9倍于當(dāng)今最大望遠(yuǎn)鏡的集光能力，圖像分辨率也將比當(dāng)前所能達(dá)到的最高分辨率高3倍。根據(jù)不同觀測(cè)目標(biāo)和方法，它的探測(cè)深度將是現(xiàn)有望遠(yuǎn)鏡的10至100倍。

平方公里陣射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目由兩套先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡設(shè)備構(gòu)成，一套是位于南部非洲的蝶形天線陣，另一套是位于澳大利亞的低頻孔徑陣列。蝶形天線陣由200面拋物面天線組成，看起來(lái)像“衛(wèi)星鍋蓋”；低頻孔徑陣列由超過(guò)10萬(wàn)個(gè)偶極天線組成，看起來(lái)像“電視天線”。它們將被科學(xué)家用來(lái)觀測(cè)宇宙“黑暗時(shí)代”，并搜尋地外文明的蛛絲馬跡。

中科院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)鄭曉年說(shuō)，天文學(xué)研究和天文設(shè)施都是開(kāi)放的，先進(jìn)的天文設(shè)施建起來(lái)了，就需要優(yōu)秀的研究團(tuán)隊(duì)。國(guó)家天文臺(tái)正千方百計(jì)吸引國(guó)內(nèi)知名專(zhuān)家和學(xué)者，利用大射電等先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展前沿科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的研究，爭(zhēng)取早出成果。

“過(guò)去國(guó)內(nèi)天文觀測(cè)條件有限，我國(guó)天文學(xué)科發(fā)展相對(duì)較弱。”嚴(yán)俊說(shuō)，隨著天文觀測(cè)設(shè)施的豐富，國(guó)內(nèi)著名高校正在加強(qiáng)天文學(xué)科的專(zhuān)業(yè)建設(shè)，今后還要強(qiáng)化高校與天文觀測(cè)臺(tái)站之間的合作。

關(guān)鍵技術(shù)無(wú)先例可循、關(guān)鍵材料急需攻關(guān)、核心技術(shù)遭遇封鎖……從預(yù)研到建成的22年時(shí)間里，我國(guó)老中青三代科技工作者克服了不可想象的困難，實(shí)現(xiàn)了由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越，也為更多人投身這項(xiàng)科學(xué)事業(yè)奠定了基礎(chǔ)，點(diǎn)燃了人類(lèi)向往太空的激情。

“從孩子第一次抬頭看到星星的那一刻，天文學(xué)其實(shí)就在他們心里埋下了種子。”李藥說(shuō)，希望天文學(xué)課程將來(lái)可以走進(jìn)課堂，激發(fā)孩子們觀察星空、探索宇宙的興趣。

“天文學(xué)的發(fā)展，是全人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的智慧結(jié)晶。未來(lái)20年是射電天文乃至天文學(xué)的‘黃金時(shí)代，不斷增強(qiáng)的科技創(chuàng)新力，讓我們擁有向宇宙更深處探索、實(shí)現(xiàn)前沿科學(xué)領(lǐng)域突破的信心?！迸聿f(shuō)。

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