清晨,貴州平塘大窩凼。望遠鏡偌大的反射面從茫茫宇宙中抓取的射電信號數(shù)據(jù),正源源不斷傳輸?shù)揭话俣喙镏獾馁F陽天文大數(shù)據(jù)基地。
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
被譽為 " 中國天眼 " 的 500 米口徑球面射電望遠鏡,自 2016 年 9 月 25 日落成啟用以來,已發(fā)現(xiàn) 279 顆脈沖星,是同期國際上其他望遠鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的 2 倍多;多次捕捉到極罕見的快速射電暴爆發(fā);參與揭示的一種快速射電暴起源機制入選《自然》十大科學發(fā)現(xiàn) ……
" 中國創(chuàng)造 " 擦亮深邃 " 天眼 ",探求著宇宙奧秘。
以創(chuàng)新思維開拓科研之基工欲善其事,必先利其器。" 中國天眼 " 的建造,是飽含戰(zhàn)略眼光的超前部署。
20 世紀 90 年代,當國際上還在為新一代大射電望遠鏡怎么建、在哪建爭論不休時,以南仁東為首的中國科技工作者提出一個極富挑戰(zhàn)、近乎天馬行空的設想,得到了國家支持。
" 獨立自主建 "" 利用喀斯特地貌建 "" 技術不成熟就一邊研究一邊建 "。南仁東等人明確了這三條后,連望遠鏡要落戶的喀斯特洼坑在哪都不知道,就開始干了。
圖為拍攝于 2009 年 5 月的大窩凼原址。(中科院國家天文臺供圖)
帶著幾百幅衛(wèi)星遙感圖,幾個人踏上漫漫十年尋址路。要給望遠鏡找個最合適、節(jié)約成本的 " 家 ",光看遙感圖不行,只能用雙腳 " 丈量 "。經(jīng)過反復篩選,最終在貴州省平塘縣找到了大窩凼——最適合 " 天眼 " 的深深 " 眼窩 "。
過去同類射電望遠鏡的反射面是固定的,只能通過改變接收機的位置掃描天空中約 20 度的帶狀區(qū)域。為了在同等工程體量下獲取更大觀測范圍,南仁東想出主動反射面的構想,并連夜畫在草稿本上。
當時,在一些人看來,那是一張工程科技很難支撐的 " 草圖 "。南仁東一邊帶著團隊做實驗,一邊到各大院所、高校 " 招兵買馬 "。
2010 年 8 月,工程開工前夕。" 國內頂級的應用于斜拉橋上的鋼索,標準強度是 200 兆帕、抗 200 萬次彎曲,用在‘天眼’實驗上都斷了。" 時任饋源支撐系統(tǒng)總工程師的孫才紅說。
當時負責索疲勞問題的是剛到國家天文臺工作的力學博士姜鵬。他立下 " 軍令狀 ",與一家企業(yè)合作,進行了有史以來最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗,經(jīng)歷近百次失敗,用了一年半時間終于找到突破口,研制出滿足要求的鋼索。
" 天眼 " 團隊一天天壯大。光是為主動反射面這個創(chuàng)新思維,便有幾十個人貢獻自己所學,聯(lián)合院所、高校、企業(yè)等各方力量,完成了一連串創(chuàng)新。
2016 年 9 月 24 日,從側面看群山之中的 " 中國天眼 "。新華社記者 歐東衢 攝
以不懈努力保障科研環(huán)境
" 天眼 " 落成啟用時,姜鵬已接過總工程師的擔子。調試和運維一點也不輕松,控制反射面索網(wǎng)的液壓促動器工作強度非常高,工程師每天都要巡檢,誰也不知道壞了幾個促動器會不會影響觀測效果,陷入疲于檢修的重復勞動中。
" 姜鵬提出必須建一個反射面安全評估系統(tǒng)。" 在望遠鏡調試中負責結構的工程師李輝說,按照這個思路,團隊利用全過程仿真技術,把整個反射面用力學模型完全數(shù)字化," 哪個促動器壞了,哪個節(jié)點工作不正常,都能在總控室的安全評估系統(tǒng)中顯示 ",并模擬出對觀測的影響,一旦超出安全范圍會自動報警。
2200 多個促動器中,誤差或斷通訊數(shù)量超過 40 個," 天眼 " 就必須暫停觀測。有反射面安全評估系統(tǒng)作保障,這種情況從未發(fā)生過。
如果反射面板出問題怎么辦呢?厚度僅 1 毫米的面板,弧度大到 50 多度,直接站上去肯定不行。工程師想到了模仿 " 太空行走 "。
2019 年 8 月 28 日拍攝的不同光線環(huán)境下的 " 中國天眼 "(拼版照片,檢修期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
這項創(chuàng)新技術叫 " 微重力蜘蛛人 ",使用一個直徑 7.6 米的氦氣球將運維人員的體重減少到反射面板能承受的重量,使得人員能夠到達反射面任意地方執(zhí)行巡檢和維護作業(yè)。
科學家也沒有停止對 " 天眼 " 的技術更新。北京大學教授、中科院國家天文臺研究員李柯伽說,除了聚焦科學本身,跟 " 天眼 " 相關的天文儀器設備研制正在有序推進。
" 天眼 " 觀測的是來自遙遠天體的微弱電磁信號,要求臺址電磁干擾水平極低,必須減少常規(guī)強干擾源,控制小功率干擾源,防止噪聲背景惡化,預防偶發(fā)干擾。
為了讓望遠鏡能 " 安靜 " 地仰望星空,方圓 5 公里核心區(qū)里數(shù)千名群眾搬離故土開啟新生活;平塘縣關閉了核心區(qū)內及其附近的所有通信基站;羅甸縣擱置了機場項目;黔南布依族苗族自治州境內劃出了方圓近 30 公里的電磁波寧靜區(qū) …… 系列舉措為 " 天眼 " 筑起一道道安全運行防護網(wǎng)。
以開放心態(tài)推動科學合作
天文學的每一項重大成就,都豐富了人類知識寶庫;天文學與其他學科交叉融合實現(xiàn)的每一次重大突破,都對基礎科學乃至人類文明進步帶來深刻影響。
自 2020 年初正式開放運行以來,中科院國家天文臺實現(xiàn)了 " 天眼 " 這座天文學利器的高水平管理和運行,但作為大科學計劃、大科學工程、大科學中心中的一員,它的科學征途才剛剛起航。在科學家眼中,它能刺穿 " 光年之外 ",能洞悉宇宙 " 前世 ",是個身在洼地、心系深空的 " 天空實驗室 "。
" 在某些觀測能力上有飛躍的設備,總會有意想不到的發(fā)現(xiàn)。" 中科院國家天文臺研究員、" 中國天眼 " 首席科學家李菂說," 中國天眼 " 的靈敏度超群,使它在很多領域具備超強 " 發(fā)現(xiàn)力 ",以及突破的潛力。它可以驗證和探索很多宇宙奧秘,比如引力理論驗證、星系演化、恒星和行星起源,乃至物質和生命的起源等。
圖為 " 中國天眼 " 饋源艙。2020 年 1 月 11 日,專家學者對 " 中國天眼 " 進行考察(檢修期間拍攝)。新華社記者 劉續(xù) 攝
李菂說,天文學是個開放的學科,大部分 " 天眼 " 早期科學成果都有國際專家參與。2021 年 4 月面向全球科學界開放后,交流合作會更多。" 中國天眼 " 科學委員會和時間分配委員會的成員是中國人,但相關評審是按照提交申請所屬的專業(yè)領域,交由國際頂尖專家評審,完全與研究前沿接軌。
由于 " 天眼 " 是中國獨資的大科學工程,有既定的科學任務和規(guī)劃,包括多科學目標漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈沖星測時、快速射電暴觀測等在內的先導項目,大多已由中國科學家領銜。
據(jù)李菂介紹,在時間分配上,外國科學家總計可以分享 10% 的望遠鏡時間,按照項目評審的打分情況,在這 10% 的時間內進行分配,預計競爭會比較激烈。
" 不管項目是誰在牽頭,大家都是朝著同樣一個科學目標邁進。" 李柯伽說,自己除了繼續(xù)關注快速射電暴觀測,還在利用 " 天眼 " 進行納赫茲引力波探測。相信 " 天眼 " 在超大質量或者極低質量脈沖星、黑洞脈沖星雙星等領域也有取得舉世矚目成就的機會。
人類只有一個天空,一個宇宙。回溯原初宇宙,揭示更多宇宙奧秘,這是建造 " 天眼 " 的原動力,也是終極目標。因此," 天眼 " 需要聯(lián)合各國科學家,以開放的態(tài)度對全球開放。外國科學家可以獨立或者作為首席專家主導一些研究項目,有潛力的探索性項目也會得到支持。
南仁東生前有兩個希望:一是后來者盡快完成望遠鏡的調整及試運行試觀測,這一點已經(jīng)順利完成;二是希望他們有運氣,能夠做出巨大的天文成就,這一點值得全人類期待。
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