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1月8日拍攝的“中國天眼”全景(檢修期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
拼版照片:上圖為1月8日拍攝的陽光下的“中國天眼”(檢修期間拍攝);中圖為1月8日拍攝的落日余暉中的“中國天眼”(檢修期間拍攝);下圖為1月9日拍攝的晨曦中的“中國天眼”(檢修期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
1月9日,工作人員對FAST反射面板進行檢修。新華社記者 劉續(xù) 攝
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
1月8日,月光下的“中國天眼”全景(檢修期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
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 歐東衢 攝
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
1月8日拍攝的“中國天眼”饋源艙(檢修期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
1月9日拍攝的“中國天眼”反射面板(檢修期間拍攝)。新華社記者 劉續(xù) 攝
1月9日拍攝的FAST反射面板(檢修期間拍攝)。新華社記者 劉續(xù) 攝
1月8日,夜色中的“中國天眼”全景(檢修期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
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 歐東衢 攝
1月9日,工作人員在對FAST反射面板進行檢修。新華社記者 歐東衢 攝
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 歐東衢 攝
1月8日拍攝的“中國天眼”(檢修期間拍攝)。新華社記者 劉續(xù) 攝
1月9日,工作人員在“中國天眼”總控室內(nèi)工作 。新華社記者 歐東衢 攝
1月9日,工作人員在“中國天眼”總控室內(nèi)工作 。新華社記者 歐東衢 攝
眼力決定眼界。1月11日,當被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡通過國家驗收正式開放運行,成為全球最大且最靈敏的射電望遠鏡,也意味著人類向宇宙未知地帶探索的眼力更加深邃,眼界更加開闊。
2顆,11顆,43顆,93顆,102顆……從2017年10月“中國天眼”首次發(fā)現(xiàn)2顆脈沖星,到11日召開的國家驗收會上公布已發(fā)現(xiàn)102顆脈沖星,它兩年多來發(fā)現(xiàn)的脈沖星超過同期歐美多個脈沖星搜索團隊發(fā)現(xiàn)數(shù)量的總和。
大器晚成,問鼎射電望遠鏡之巔
“中國天眼”的靈敏度達到世界第二大射電望遠鏡的2.5倍以上,可有效探索的空間范圍體積擴大4倍,使科學家有能力發(fā)現(xiàn)更多未知星體、未知宇宙現(xiàn)象、未知宇宙規(guī)律……
驗收會上,中科院院士武向平等6位專家分別宣讀工藝驗收、電波環(huán)境保護等驗收意見,國家發(fā)改委高技術(shù)司副司長沈竹林宣布“中國天眼”各項指標均達到或優(yōu)于批復(fù)的驗收指標,主要性能指標達到國際領(lǐng)先水平,具備了開放運行條件。
國家天文臺研究員、“中國天眼”總工程師姜鵬認為,通過國家驗收意味著“中國天眼”完成了工程師和科學家之間的交接棒,“火力全開”投入科學觀測,接下來兩三年內(nèi)將有一系列重要科學產(chǎn)出,同時進一步穩(wěn)定望遠鏡的性能。
古人感嘆,天邊眼力破萬里;而今,“天眼”的眼力破億光年。它靜若處子,除了反射面變形時上千個液壓促動器一齊低吼,幾乎不會動。它又迅若奔雷,每秒最高傳輸基帶數(shù)據(jù)38G,每小時接收的平均有效科學數(shù)據(jù)約3.6T。
從宇宙星辰,到基本粒子,人類的科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新越來越離不開強大的科研儀器,特別是大科學裝置,與創(chuàng)新思維共同構(gòu)成了現(xiàn)代科學技術(shù)突破的必要條件。
中科院院士、天體物理學家方成認為,中國曾是世界上天文記錄最久遠、最完整的國家。在超過3000年的時間里,連續(xù)不斷地記錄著各種天文現(xiàn)象,包括日食和月食、太陽黑子、彗星和流星、客星(新星和超新星)等。中國古代天文學家編制了100多種天文歷法,也發(fā)明了大量的天文儀器。
“但近代以來,中國天文學跟其他科學技術(shù)一樣,大大落后于率先完成工業(yè)革命的西方國家,很多先進的儀器見都沒見過?!眹姨煳呐_研究員韓金林說,即便在上世紀,老一輩天文學家也只能尋求與國外合作,相當于借用別人的望遠鏡,大多只能做一些邊緣課題。
以王綬琯、南仁東等為代表的中國第一代、第二代天文學家,努力縮小中國與世界先進水平的差距,擔起“趕潮兒”的責任。
1993年,包括中國在內(nèi)的10個國家的天文學家,提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議,渴望回溯原初宇宙,解答天文學難題。
當時,懷著回報民族的赤誠和描繪宇宙的初心,活躍在國際天文界的南仁東毅然回國,力主中國獨立建造射電“大望遠鏡”。
從1994年開始選址和預(yù)研究,到2016年9月25日“中國天眼”落成啟用,南仁東率團隊用20多年幫助中國實現(xiàn)了追趕——建成了世界最大的射電望遠鏡。
目光如炬,摘星于百億光年之外
可能有人會問,既然“中國天眼”3年前落成啟用了,為什么今天才驗收呢?實際上,要實現(xiàn)科學家的各種觀測意圖,達成穩(wěn)定可靠的靈敏度,對望遠鏡來說并非易事。
從世界最大到世界最靈敏,正是“中國天眼”3年來一刻不停調(diào)試和試觀測的目標和成果。它的觀測范圍能企及河外星系甚至百億光年之外的宇宙邊緣。
靈敏度和分辨率是射電望遠鏡的兩大核心指標。由于星體距離地球十分遙遠,到達地球時能量微弱,靈敏度是科學家發(fā)現(xiàn)暗弱天體的能力,而要想進一步看清遙遠天體的真實面貌,就要依靠分辨率。
“靈敏度是最‘硬’的指標,基本由望遠鏡的口徑限定死了。相比之下,分辨率則可以通過多臺相對小的望遠鏡協(xié)同配合來提高?!眹姨煳呐_副研究員錢磊介紹。
“開創(chuàng)了建造巨型射電望遠鏡的新模式,突破了傳統(tǒng)望遠鏡的工程極限,采用全新設(shè)計方案、口徑更大的‘中國天眼’,比國外同類望遠鏡的調(diào)試期更短,遠超國際慣例和同行預(yù)期。”姜鵬說。
從下面的幾組數(shù)據(jù),我們可以窺見“中國天眼”的身形:
大——反射面由4450個反射單元構(gòu)成,總面積為25萬平方米,相當于30個標準足球場那么大。如果把它看成是一口盛滿水的鍋,容量夠全世界每個人分到4瓶水。
巧——30噸的饋源艙通過6根鋼索控制,可以在140米高空、206米的尺度范圍內(nèi)實時定位。
強——能看見更遙遠暗弱的天體,它1分鐘就能發(fā)現(xiàn)的星體,即使把坐標提供給百米口徑的射電望遠鏡,對方也要9分鐘才能看見。
精——500米的尺度上測量角度精確到8角秒,10毫米的定位精度要求最高做到了3.8毫米。
“但這些設(shè)計、性能和精度不是理所當然的。”姜鵬說,“天眼”的索網(wǎng)結(jié)構(gòu),是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的。要實現(xiàn)反射面變形,對抗疲勞性能的要求極高,現(xiàn)成的鋼索實驗中都斷了。如果這個材料和工藝層面的問題不解決,整個項目就要停滯。
回憶10年前的“索網(wǎng)攻關(guān)”,姜鵬記憶猶新:“我們進行了可能是有史以來最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗,經(jīng)過近百次失敗,終于研制出超高耐疲勞鋼索,在200萬次循環(huán)加載條件下可達500MPa應(yīng)力幅,國際上尚無先例?!?/p>
實際上,整個團隊各個子系統(tǒng)的研制過程,幾乎都是如履薄冰。從26年前以南仁東為代表的幾位科學家,發(fā)展到今天100人左右、平均年齡35歲、能獨立自主設(shè)計建造大型射電望遠鏡和同類天線的隊伍,前后4代科研工作者前赴后繼、扎根深山,不負當代天文學“弄潮兒”。
一眼當先,大裝置牽引科技創(chuàng)新
科學技術(shù)進步的速度,從過去以萬年、千年、百年為尺度,已經(jīng)變成現(xiàn)在的十年、一年,甚至日新月異。但對物理學、天文學來說,似乎還在啃量子力學和相對論的老本。
重大突破,科研儀器先行。北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員李柯伽認為,天文學乃至物理學都是實驗科學,前人的理論研究走在了前面,后人的實驗驗證是關(guān)鍵,這就必須用到大科學裝置。
“處在發(fā)展上升階段的學科,誰在提出問題,誰就掌握發(fā)展動向,如果沒有大裝置做實驗,就提不出問題,只能跟在別人后面解決問題?!崩羁沦ふf,邊界尚未知曉的天文學,無疑是發(fā)展中的學科。
“天天摸著望遠鏡做觀測的人,才能發(fā)現(xiàn)前沿的問題。”韓金林說,過去中國缺少大望遠鏡設(shè)備,天文學家只能在某些領(lǐng)域從理論方面深挖,而現(xiàn)在則可以從觀測角度做出更多原創(chuàng)的、世界領(lǐng)先的成果。
從開工建設(shè)到國家驗收的短短9年間,收獲滿滿:
發(fā)表論文300余篇,其中SCI收錄80篇,EI收錄76篇。獲得第一專利權(quán)人的授權(quán)專利69項,其中發(fā)明專利39項,實用新型專利30項;
發(fā)現(xiàn)脈沖星優(yōu)質(zhì)候選體146顆,已證實發(fā)現(xiàn)的脈沖星102顆。與上海天文臺天馬望遠鏡成功實現(xiàn)聯(lián)合觀測,在國際甚長基線干涉測量中發(fā)揮重要作用;
……
據(jù)國家天文臺原臺長、“中國天眼”工程經(jīng)理嚴俊介紹,在建設(shè)階段,“中國天眼”獲得了鋼結(jié)構(gòu)、自動化產(chǎn)業(yè)、機械工業(yè)、創(chuàng)新設(shè)計、測繪地理信息技術(shù)、電磁兼容研發(fā)、建設(shè)工程等10余個領(lǐng)域的國家大獎。
目前,“中國天眼”已成立科學委員會和時間分配委員會,將統(tǒng)籌望遠鏡運行相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃、凝練科學方向、項目遴選、數(shù)據(jù)公開等工作,更好地發(fā)揮其科學效能,促進重大科學成果產(chǎn)出。將來圍繞“中國天眼”建設(shè)的引力波探測研究、射電天文大數(shù)據(jù)等科技中心,還將發(fā)揮輻射、引領(lǐng)及推動作用,成為重要的人才培養(yǎng)基地。
火眼金睛,向宇宙未知地帶探索
“目前通常認為,宇宙中大約70%是暗能量,26%是暗物質(zhì),不到4%是重子物質(zhì),只有不到1%是人類能看見的發(fā)光物質(zhì)?!崩羁沦ふf,密度極高的脈沖星屬于重子物質(zhì),而發(fā)光物質(zhì)只相當于“一瓶可樂中的一滴水”。
多位天文學家都認為,至少在分米波波段射電天文學、脈沖星觀測研究領(lǐng)域,“中國天眼”很快就能世界領(lǐng)先。除了天文學觀測以及建造望遠鏡帶動的技術(shù)創(chuàng)新,它還將成為最精確的物理規(guī)律驗證實驗平臺。
美國國家科學院院士、伯克利大學射電實驗室主任卡爾·海爾斯教授認為,“中國天眼”比美國阿雷西博望遠鏡更加靈敏,覆蓋更大天區(qū),且擁有19波束的接收機,在脈沖星搜尋、觀測星際云等天文學領(lǐng)域擁有革命的機遇。
韓金林認為,“中國天眼”目前發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星不值得驚訝,它至少再新發(fā)現(xiàn)千余顆脈沖星,把人類能看見的脈沖星庫規(guī)模拓展50%,才算小有成就。
在調(diào)試期間,“中國天眼”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了從未被其他望遠鏡觀測到的脈沖星現(xiàn)象。國家天文臺研究員李菂領(lǐng)銜的一個脈沖星研究結(jié)果,對經(jīng)典的“旋轉(zhuǎn)木馬”輻射模型提出了挑戰(zhàn)。再如費米高能射電源,美國阿雷西博望遠鏡搜索未果,而“中國天眼”一次探測成功。
姜鵬說,借助“中國天眼”超高的靈敏度,國家天文臺已經(jīng)將脈沖星的計時精度提升至世界原有水平的50倍左右,這將有可能使人類首次具備極低頻的納赫茲引力波的探測能力。
正因為已知太少,才點燃了人類向宇宙未知地帶探索的夢想。
敢當“夢潮兒”的中國科學家希望,借助“中國天眼”進行銀河系及周邊的星際介質(zhì)巡天,全面更新脈沖星和近鄰宇宙的氣體分布圖像。一旦它發(fā)現(xiàn)重要特殊意義的天體,意味著發(fā)現(xiàn)全新的未知世界,系統(tǒng)地拓展人類的宇宙視野。
星辰大海,才是他們的征途。
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