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2017年10月10日，北四環(huán)外，國(guó)家天文臺(tái)。當(dāng)距離地球1.6萬(wàn)光年外和4100光年外的脈沖信號(hào)在現(xiàn)場(chǎng)響起，在座的嘉賓無(wú)一不屏氣凝神，側(cè)耳傾聽(tīng)。這是我國(guó)自主設(shè)計(jì)制造的射電望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)脈沖星，也是中國(guó)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(hào)而得名。如今距離第一次公開(kāi)“亮相”不到4年時(shí)間，中國(guó)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(guó)天眼’超高靈敏度，我們已經(jīng)將脈沖星的測(cè)時(shí)精度提升至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，這有望使人類首次具備納赫茲引力波的探測(cè)能力。可以說(shuō)，我們已經(jīng)走在‘出大成果’的攀登之路上。”中國(guó)科學(xué)院院士、國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)常進(jìn)說(shuō)。

二十余載鑄一“鍋”

中國(guó)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)。

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(hào)，通過(guò)“鍋”的反射聚焦，把信號(hào)聚攏，以便用饋源“天線”接收信號(hào)。“鍋”越大，就越能接收到微弱的電磁波，觀測(cè)宇宙的“視力”就更好。

25米與350米，這是此前中國(guó)與美國(guó)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。“要在中國(guó)的土地上，建造世界上最大的射電望遠(yuǎn)鏡，以免讓中國(guó)在宇宙探索中受制于人。”上世紀(jì)90年代，時(shí)任北京天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)的南仁東等老一輩天文學(xué)家提出建設(shè)中國(guó)天眼的構(gòu)想。

質(zhì)疑紛至沓來(lái)。南仁東卻有自己的堅(jiān)持，“別人都有自己的大設(shè)備，我們沒(méi)有，我挺想試一試”。有那么幾年時(shí)間，南仁東成了一名“推銷員”，大會(huì)小會(huì)、中國(guó)外國(guó)，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(wàn)富翁啊”。他笑著搖搖頭：“千萬(wàn)負(fù)翁。”是的，理想很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感。項(xiàng)目建設(shè)之初，經(jīng)費(fèi)緊缺，聽(tīng)說(shuō)貴州喀斯特洼地多，能選出性價(jià)比最高的天眼臺(tái)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(chǎng)，年過(guò)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(shí)，有人勸他在山下等著，看完結(jié)果告訴他，而他說(shuō)：“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(duì)優(yōu)勢(shì)從400多個(gè)候選地中脫穎而出，成為最后的勝利者。如果說(shuō)FAST是一枚觀天巨眼，那大窩凼這個(gè)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(tái)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(jì)理念開(kāi)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(shí)也帶來(lái)了極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)，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(shí)地主動(dòng)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(dòng)，所有的控制精度要達(dá)到毫米級(jí)。

“這在我當(dāng)時(shí)的認(rèn)知范圍內(nèi)覺(jué)得太不可思議了。”回憶當(dāng)年的情形，F(xiàn)AST運(yùn)行和發(fā)展中心常務(wù)副主任、總工程師姜鵬曾在接受媒體采訪時(shí)坦陳，甚至一度覺(jué)得這個(gè)項(xiàng)目可能是一個(gè)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(guò)河架橋、逢山開(kāi)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(wú)二、世界領(lǐng)先的超級(jí)工程——中國(guó)天眼。

例如，他們研制的超高耐疲勞特性的鋼索，超過(guò)國(guó)內(nèi)、國(guó)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(jí)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(cè)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(dòng)態(tài)測(cè)量……

苦心人天不負(fù)，百二秦關(guān)終屬楚。選址、論證、設(shè)計(jì)、建設(shè)，在黨中央和國(guó)務(wù)院關(guān)懷下，經(jīng)過(guò)前后四代數(shù)百名科研工作者堅(jiān)持不懈地努力，2016年9月FAST落成啟用，2020年1月通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收，無(wú)可爭(zhēng)議地成為當(dāng)今世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

與號(hào)稱“地面最大的機(jī)器”的德國(guó)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(píng)為人類20世紀(jì)10大工程之首的美國(guó)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(hào)，這個(gè)距離接近宇宙邊緣。曾有專家形象地說(shuō)，“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(guó)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(guó)天眼再次站上了世界舞臺(tái)。

關(guān)于快速射電暴的起源機(jī)制，此前眾說(shuō)紛紜。這些理論研究主要?jiǎng)澐殖蓛纱?ldquo;門(mén)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(chǎng)中穿行產(chǎn)生的。“FAST的觀測(cè)結(jié)果直接終結(jié)了‘理論爭(zhēng)鋒’，通過(guò)對(duì)11次射電爆發(fā)的高靈敏度偏振信號(hào)解析，我國(guó)科研人員用直接的觀測(cè)結(jié)果否定了宇宙災(zāi)變的理論。”在中科院國(guó)家天文臺(tái)首席研究員韓金林看來(lái)，F(xiàn)AST的順利運(yùn)行使得我國(guó)相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)迅速成為國(guó)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?cè)捶矫婢哂兄卮鬂摿?，有望在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)納赫茲的引力波探測(cè)、捕捉到宇宙大爆炸時(shí)期的原初引力波，為研究宇宙大爆炸原初時(shí)刻的物理過(guò)程提供數(shù)據(jù)支撐。

不僅如此，F(xiàn)AST還有另外一個(gè)重要用途：探測(cè)低頻引力波。2016年2月，LIGO合作組宣布首次直接探測(cè)到廣義相對(duì)論預(yù)言已久的引力波之后，對(duì)引力波的探測(cè)已經(jīng)成為天文學(xué)界的熱門(mén)話題。通過(guò)對(duì)毫秒脈沖星的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，選取一定數(shù)目的毫秒脈沖星組成計(jì)時(shí)陣列，可以探測(cè)來(lái)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(cè)量提供高精度的位置和方位姿態(tài)基準(zhǔn);在海洋測(cè)繪中，F(xiàn)AST采用慣性組件與聲吶等測(cè)量技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)海底測(cè)繪，為勘探區(qū)作業(yè)的機(jī)器設(shè)備建立高精度的時(shí)空和姿態(tài)基準(zhǔn)。

“感官安寧，萬(wàn)籟無(wú)聲，美麗的宇宙太空，正以它的神秘和絢麗，召喚我們踏過(guò)平庸，進(jìn)入無(wú)垠的廣袤。”這是人民科學(xué)家南仁東先生對(duì)宇宙的深情告白。

20多年鑄一鍋，而今“天眼”始開(kāi)。宇宙浩瀚，中國(guó)天眼的征程才剛剛開(kāi)始。(記者 沈 慧 佘惠敏)