【新華網】讓“中國創造”,擦亮深邃“天眼”

  

 

2020年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 攝  

  

 

  這是一張拼版照片,左上為FAST項目拼裝第一塊反射面板(2015年8月2日攝)、右上為FAST反射面板安裝近半(2015年12月16日攝)、左下為FAST項目反射面板安裝近八成(2016年3月9日攝)、右下為FAST項目反射面板安裝完成(2016年7月3日攝)。新華社記者歐東衢 攝

  

 

這是2016年6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

  

 

這是2016年6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

  

 

這是2020年1月9日拍攝的“中國天眼”(檢修期間拍攝)。新華社記者歐東衢 攝

  

 

南仁東(中)與工程技術人員在大窩凼施工現場檢查施工進展(2014年12月1日攝)。新華社發(中科院國家天文臺供圖)

  

 

這是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 

  

 

2019年8月30日,工作人員在FAST反射面板上實驗“微重力蜘蛛人”方案。新華社記者歐東衢 攝

  

 這是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

  

 

這是2017年8月10日,工作人員在FAST饋源艙內工作(檢修期間拍攝)。新華社記者歐東衢 攝

  

 

2020年1月8日拍攝的“中國天眼”全景(檢修期間拍攝)。新華社記者劉續 攝

  

 

2019年8月30日,工作人員在FAST反射面板上實驗“微重力蜘蛛人”方案。新華社記者歐東衢 攝

  

 

這是2019年8月28日拍攝的“中國天眼”(檢修期間拍攝)。新華社記者歐東衢 攝

  

 

這是2020年1月9日拍攝的“中國天眼”(檢修期間拍攝)。新華社記者歐東衢 攝

  

 

2020年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 攝

  

 

2020年1月11日,專家學者在“中國天眼”考察(檢修期間拍攝)。新華社記者歐東衢 攝

  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據,正源源不斷傳輸到一百多公里之外的貴陽天文大數據基地。

  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,已發現279顆脈沖星,是同期國際上其他望遠鏡發現脈沖星總數的2倍多;多次捕捉到極罕見的快速射電暴爆發;參與揭示的一種快速射電暴起源機制入選《自然》十大科學發現……

  “中國創造”擦亮深邃“天眼”,探求著宇宙奧秘。

  以創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、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。

  帶著幾百幅衛星遙感圖,幾個人踏上漫漫十年尋址路。要給望遠鏡找個最合適、節約成本的“家”,光看遙感圖不行,只能用雙腳“丈量”。經過反復篩選,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”,與一家企業合作,進行了有史以來最系統、最大規模的索疲勞試驗,經歷近百次失敗,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新思維,便有幾十個人貢獻自己所學,聯合院所、高校、企業等各方力量,完成了一連串創新。

  以不懈努力保障科研環境 

  “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。”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字化,“哪個促動器壞了,哪個節點工作不正常,都能在總控室的安全評估系統中顯示”,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,誤差或斷通訊數量超過40個,“天眼”就必須暫停觀測。有反射面安全評估系統作保障,這種情況從未發生過。

  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”。

  這項創新技術叫“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行巡檢和維護作業。

  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,必須減少常規強干擾源,控制小功率干擾源,防止噪聲背景惡化,預防偶發干擾。

  為了讓望遠鏡能“安靜”地仰望星空,方圓5公里核心區里數千名群眾搬離故土開啟新生活;平塘縣關閉了核心區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……系列舉措為“天眼”筑起一道道安全運行防護網。

  以開放心態推動科學合作 

  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現。”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“發現力”,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。

  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”需要聯合各國科學家,以開放的態度對全球開放。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。

 

       來源: 新華網 齊健

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