中國天眼凝望蒼穹

“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(dāng)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(yuǎn)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。”中國科學(xué)院院士、國家天文臺臺長常進(jìn)說。

二十余載鑄一“鍋”

中國天眼，全稱“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡，這口“大鍋”究竟有多大？它的總面積相當(dāng)于30個標(biāo)準(zhǔn)足球場。

為何要建這口“大鍋”？射電望遠(yuǎn)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。“鍋”越大，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(yuǎn)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?，建造世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，以免讓中國在宇宙探索中受制于人?！?0世紀(jì)90年代，時任北京天文臺副臺長的南仁東等老一輩天文學(xué)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(yuǎn)鏡項(xiàng)目。

不服輸，磨破嘴，跑斷腿，F(xiàn)AST終于立項(xiàng)，有人調(diào)侃，“老南，億萬富翁啊”。他笑著搖搖頭：“千萬負(fù)翁?！笔堑模硐牒茇S滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。項(xiàng)目建設(shè)之初，經(jīng)費(fèi)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(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)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(shí)際的情況。”

就這樣，南仁東帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)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(xì)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(xiàng)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(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的全新設(shè)計理念開創(chuàng)了建造巨型望遠(yuǎn)鏡的新模式，突破了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)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(biāo)位置實(shí)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(yùn)動，所有的控制精度要達(dá)到毫米級。

“這在我當(dāng)時的認(rèn)知范圍內(nèi)覺得太不可思議了?！被貞洰?dāng)年的情形，F(xiàn)AST運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任、總工程師姜鵬坦言，甚至一度覺得這個項(xiàng)目可能是一個忽悠人的項(xiàng)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(yuǎn)超想象。怎么辦？過河架橋、逢山開路，F(xiàn)AST團(tuán)隊(duì)克服了力學(xué)、材料、大尺度結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域諸多技術(shù)難題，鑄就了獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)器人和剛性6自由度并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)成的兩級調(diào)整機(jī)構(gòu)，實(shí)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(dǎo)和全站儀多種測量技術(shù)融合，實(shí)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(fù)，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(wù)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的努力，2016年9月FAST落成啟用，2020年1月通過國家驗(yàn)收，無可爭議地成為當(dāng)今世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

與號稱“地面最大的機(jī)器”的德國波恩100米望遠(yuǎn)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(jì)10大工程之首的美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)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(jī)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(rèn)為這樣的毫秒射電爆發(fā)是宇宙災(zāi)變事件造成的爆發(fā)，而另一方則認(rèn)為它是粒子在強(qiáng)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(zāi)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(yùn)行使得我國相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)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(xué)潛力正逐步顯現(xiàn)：超強(qiáng)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(shí)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(yù)言已久的引力波之后，對引力波的探測已經(jīng)成為天文學(xué)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(dǎo)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(zhǔn);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(shí)現(xiàn)海底測繪，為勘探區(qū)作業(yè)的機(jī)器設(shè)備建立高精度的時空和姿態(tài)基準(zhǔn)。

“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(jìn)入無垠的廣袤?！边@是人民科學(xué)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。