"中國天眼"的數字密碼,從1到200萬別眨眼

2020-01-12 17:14今日鄂州

 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”首次發現2顆脈沖星,到11日召開的國家驗收會上公布已發現102顆脈沖星,它兩年多來發現的脈沖星超過同期歐美多個脈沖星搜索團隊發現數量的總和。
 
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
 
  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,使科學家有能力發現更多未知星體、未知宇宙現象、未知宇宙規律……
 
  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、電波環境保護等驗收意見,國家發改委高技術司副司長沈竹林宣布“中國天眼”各項指標均達到或優于批復的驗收指標,主要性能指標達到國際領先水平,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,接下來兩三年內將有一系列重要科學產出,同時進一步穩定望遠鏡的性能。
 
  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據38G,每小時接收的平均有效科學數據約3.6T。
 
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
 
  從宇宙星辰,到基本粒子,人類的科學發現與技術創新越來越離不開強大的科研儀器,特別是大科學裝置,與創新思維共同構成了現代科學技術突破的必要條件。
 
  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,連續不斷地記錄著各種天文現象,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一樣,大大落后于率先完成工業革命的西方國家,很多先進的儀器見都沒見過。”國家天文臺研究員韓金林說,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多年幫助中國實現了追趕——建成了世界最大的射電望遠鏡。
 
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
 
  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,要實現科學家的各種觀測意圖,達成穩定可靠的靈敏度,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,靈敏度是科學家發現暗弱天體的能力,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同配合來提高。”國家天文臺副研究員錢磊介紹。
 
  “開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式,突破了傳統望遠鏡的工程極限,采用全新設計方案、口徑更大的‘中國天眼’,比國外同類望遠鏡的調試期更短,遠超國際慣例和同行預期。”姜鵬說。
 
  從下面的幾組數據,我們可以窺見“中國天眼”的身形:
 
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 攝
 
  大——反射面由4450個反射單元構成,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米的尺度范圍內實時定位。
 
  強——能看見更遙遠暗弱的天體,它1分鐘就能發現的星體,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。
 
  “但這些設計、性能和精度不是理所當然的。”姜鵬說,“天眼”的索網結構,是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的。要實現反射面變形,對抗疲勞性能的要求極高,現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“索網攻關”,姜鵬記憶猶新:“我們進行了可能是有史以來最系統、最大規模的索疲勞試驗,經過近百次失敗,終于研制出超高耐疲勞鋼索,在200萬次循環加載條件下可達500MPa應力幅,國際上尚無先例。”
 
  實際上,整個團隊各個子系統的研制過程,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,發展到今天100人左右、平均年齡35歲、能獨立自主設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”。
 
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
 
  一眼當先,大裝置牽引科技創新
 
  科學技術進步的速度,從過去以萬年、千年、百年為尺度,已經變成現在的十年、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鍵,這就必須用到大科學裝置。
 
  “處在發展上升階段的學科,誰在提出問題,誰就掌握發展動向,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。”李柯伽說,邊界尚未知曉的天文學,無疑是發展中的學科。
 
  “天天摸著望遠鏡做觀測的人,才能發現前沿的問題。”韓金林說,過去中國缺少大望遠鏡設備,天文學家只能在某些領域從理論方面深挖,而現在則可以從觀測角度做出更多原創的、世界領先的成果。
 
  從開工建設到國家驗收的短短9年間,收獲滿滿:
 
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
 
  發表論文300余篇,其中SCI收錄80篇,EI收錄76篇。獲得第一專利權人的授權專利69項,其中發明專利39項,實用新型專利30項;
 
  發現脈沖星優質候選體146顆,已證實發現的脈沖星102顆。與上海天文臺天馬望遠鏡成功實現聯合觀測,在國際甚長基線干涉測量中發揮重要作用;
 
  ……
 
  據國家天文臺原臺長、“中國天眼”工程經理嚴俊介紹,在建設階段,“中國天眼”獲得了鋼結構、自動化產業、機械工業、創新設計、測繪地理信息技術、電磁兼容研發、建設工程等10余個領域的國家大獎。
 
  目前,“中國天眼”已成立科學委員會和時間分配委員會,將統籌望遠鏡運行相關戰略規劃、凝練科學方向、項目遴選、數據公開等工作,更好地發揮其科學效能,促進重大科學成果產出。將來圍繞“中國天眼”建設的引力波探測研究、射電天文大數據等科技中心,還將發揮輻射、引領及推動作用,成為重要的人才培養基地。
 
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 攝
 
  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,不到4%是重子物質,只有不到1%是人類能看見的發光物質。”李柯伽說,密度極高的脈沖星屬于重子物質,而發光物質只相當于“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、脈沖星觀測研究領域,“中國天眼”很快就能世界領先。除了天文學觀測以及建造望遠鏡帶動的技術創新,它還將成為最精確的物理規律驗證實驗平臺。
 
  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,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域擁有革命的機遇。
 
  韓金林認為,“中國天眼”目前發現這么多脈沖星不值得驚訝,它至少再新發現千余顆脈沖星,把人類能看見的脈沖星庫規模拓展50%,才算小有成就。
 
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
 
  在調試期間,“中國天眼”已經發現了從未被其他望遠鏡觀測到的脈沖星現象。國家天文臺研究員李菂領銜的一個脈沖星研究結果,對經典的“旋轉木馬”輻射模型提出了挑戰。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。一旦它發現重要特殊意義的天體,意味著發現全新的未知世界,系統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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