中國天眼凝望蒼穹

發布時間:2021-05-03 文章來源:新華網客戶端  瀏覽次數:465

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
“嘟嗚嘟——嘟嗚嘟——”
“嘟——嘟——”
2017年10月10日,北四環外,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場響起,在座的嘉賓無一不屏氣凝神,側耳傾聽。這是我國自主設計制造的射電望遠鏡首次發現脈沖星,也是中國天眼(FAST)的成果“首秀”。
脈沖星就是旋轉的中子星,因不斷地發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,中國天眼已發現脈沖星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,我們已經將脈沖星的測時精度提升至少一個數量級,這有望使人類首次具備納赫茲引力波的探測能力。可以說,我們已經走在‘出大成果’的攀登之路上。”中國科學院院士、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鏡口徑的差距,而口徑大小直接決定眼力所及。“要在中國的土地上,建造世界上最大的射電望遠鏡,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中國天眼的構想。
質疑紛至沓來。南仁東卻有自己的堅持,“別人都有自己的大設備,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,FAST終于立項,有人調侃,“老南,億萬富翁啊”。他笑著搖搖頭:“千萬負翁。”是的,理想很豐滿,現實很骨感。項目建設之初,經費緊缺,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,看完結果告訴他,而他說:“我要和你們一起上去,看看實際的情況。”
就這樣,南仁東帶領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的眼窩。以整座山窩作為臺址,是一項取法自然的創舉,讓現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,FAST的全新設計理念開創了建造巨型望遠鏡的新模式,突破了傳統望遠鏡的百米工程極限,同時也帶來了極大的技術挑戰。根據設計,FAST巨大的反射面要能根據天體的目標位置實時地主動調節形狀,30噸的饋源艙要在140米的高空、206米的范圍內運動,所有的控制精度要達到毫米級。
“這在我當時的認知范圍內覺得太不可思議了。”回憶當年的情形,FAST運行和發展中心常務副主任、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,FAST團隊克服了力學、材料、大尺度結構等領域諸多技術難題,鑄就了獨一無二、世界領先的超級工程——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、國際相關標準規范的2.5倍;創新采用世界上最大跨度柔性并聯機器人和剛性6自由度并聯機器人構成的兩級調整機構,實現了饋源均方根值10毫米的高精度定位;創造性地將衛星定位、慣導和全站儀多種測量技術融合,實現了全天候、大尺度、高精度的饋源支撐系統動態測量……
苦心人天不負,百二秦關終屬楚。選址、論證、設計、建設,在黨中央和國務院關懷下,經過前后四代數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,FAST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,FAST靈敏度提高約2.5倍。從理論上講,FAST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》雜志發表,讓中國天眼再次站上了世界舞臺。
關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是宇宙災變事件造成的爆發,而另一方則認為它是粒子在強磁場中穿行產生的。“FAST的觀測結果直接終結了‘理論爭鋒’,通過對11次射電爆發的高靈敏度偏振信號解析,我國科研人員用直接的觀測結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,FAST的順利運行使得我國相關科研團隊迅速成為國際快速射電暴領域的核心研究力量。
不只是快速射電暴“捕捉能手”,隨著性能的提升,FAST的科學潛力正逐步顯現:超強靈敏度使其在射電瞬變源方面具有重大潛力,有望在短時間內實現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據支撐。
不僅如此,FAST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成為天文學界的熱門話題。通過對毫秒脈沖星的長期監測,選取一定數目的毫秒脈沖星組成計時陣列,可以探測來自超大質量雙黑洞等天體發出的低頻引力波。
此外,在高精度地礦勘探方面,FAST可以利用慣性組件與衛星導航融合技術,為重力測量提供高精度的位置和方位姿態基準;在海洋測繪中,FAST采用慣性組件與聲吶等測量技術融合,實現海底測繪,為勘探區作業的機器設備建立高精度的時空和姿態基準。
“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。”這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。(記者 沈 慧 佘惠敏)
來源:經濟日報


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