每一個喜歡星星的孩子,似乎都有一個天文夢。小時候,我們聽著“數星星的孩子”的故事,幻想著自己有一天能成為張衡那樣偉大的天文學家。美國天文學家卡爾·薩根也曾有過相關的描述,他說,每個人在幼年時都是科學家,因為每個孩子和科學家一樣,對自然界的奇觀滿懷著好奇和敬畏。?
今天,就讓我們一起去尋找曾有過的夢想,認識一下新時代“數星星的孩子”,它就是500米口徑球面射電望遠鏡,被譽為“中國天眼”。?
說起“天眼”,我們先來認識一位已逝的老人。他就是我國天文學家南仁東。1994年,南仁東從美國觀看阿雷西博望遠鏡之后,立志要修建一座中國的射電望遠鏡。這座望遠鏡的建造,涉及到世界科技進展中非常重要的一支——射電天文學。在20世紀60年代,四大天文發(fā)現中宇宙微波背景輻射、類星體、脈沖星和星際分子,都是利用射電望遠鏡才得以進行觀測的。的確,天文學的真諦在于觀測,沒有一流的觀測設備,就拿不到一手的觀測數據,相關的實驗和理論研究也就很難產生大的影響。正因為這樣,時任中國科學院北京天文臺副臺長的南仁東才提出:在我國境內建造直徑500米、世界最大的單口徑射電望遠鏡。?
當時,我國最大的射電望遠鏡口徑只有30米。從30米到500米,這是個非常大膽的設想,看好這件事的人寥寥無幾。因為建設這樣大口徑的射電望遠鏡已不僅僅是一個嚴密的科學工程,還是一個難度巨大的建設工程,它涉及天文學、力學、機械工程、電子學、測量與控制工程,甚至巖土工程等各個領域。整個工程從紙面設計到實際建造和運行,聽起來是個遙不可及的構想。?
當時人們最為普遍的質疑是“有合適的地方建造嗎?施工難度怎么克服呢?”但南仁東認準了這件事兒。?
從1994年開始,年近五旬的南仁東開始主持射電望遠鏡計劃的推進工作。他大膽提出,利用我國貴州省的喀斯特洼地作為望遠鏡臺址,建設巨型球面望遠鏡,并且立即啟動貴州選址工作。?
為了在貴州喀斯特地形區(qū)找到一個完美的洼地,南仁東拄著竹竿,挽著褲腿,爬上爬下。這樣的勘測過程,長達12年。當時,南仁東帶著300多幅衛(wèi)星遙感圖,跋涉在我國西南的大山里。為了選址,幾乎踏遍了那里的所有洼地。最終經過多年的論證,射電望遠鏡選址定在貴州省平塘縣的大窩凼洼地。這塊洼地,有幾百米的山洼被四面的山體環(huán)繞,正好擋住外面的電磁波。?
南仁東一邊選址,還要一邊為工程立項奔波。他清楚地知道,要建一個500米口徑的大家伙,世界上獨一無二的大塊頭,需要大資金,必須得充分論證,盡快立項。不立項就沒有錢,沒有錢就沒有團隊,沒有團隊一切都是徒勞。?
初期勘探結束后,南仁東四處奔跑推廣建造計劃,尋求技術上的合作。經歷了最艱難的十多年,“天眼”工程逐漸有了名氣,跟各大院校合作的技術也有了突破進展。2007年的7月份,“天眼”作為“十一五”重大科學裝置正式被國家批準立項?!疤煅邸表椖扛笨偣こ處熇钋呎f道:“南老師的執(zhí)著和直率最讓我佩服。擔起首席科學家和總工程師各種職責,推動了這個獨一無二的項目?!?
2011年“天眼”工程,正式開工建設了。作為項目首席科學家兼總工程師,南仁東親自參與工程的每一個部分,因為來之不易,他要求做到:盡善盡美。在長達五年半的建設過程中,先后150多家國內企業(yè)、20余家科研單位、數千人的施工隊伍相繼投入天眼建設。這么大的射電望遠鏡建設,關鍵技術方面沒有先例可循、關鍵材料急需攻關、現場施工環(huán)境非常復雜,工程的艱難程度遠遠超出想象。?
在建造準備階段,“天眼”工程曾遇到一場近乎災難性的風險。據工程調試組組長、研究員姜鵬回憶說到,“在對購買的十余根鋼索結構進行疲勞實驗時,結果讓人很沮喪,全部以失敗告終,沒有一例能滿足要求。當時,臺址開挖工程已經開始,設備基礎工程迫在眉睫,可由于購買的材料達不到工程要求,反射面的結構形式就遲遲定不下來?!?/strong>?
為了解決這個問題,南仁東提出用彈簧作為彈性變形的載體,來解決鋼索疲勞問題。但是在姜鵬看來,這個方法有些異想天開。事實證明,用彈簧仍然是行不通的。于是,南仁東決定轉向鋼索的研制。整個研制工作經歷了近百次失敗,幾乎每一次,南仁東都親臨現場,溝通改進措施。最終,研制出滿足要求的鋼索結構,讓“天眼”建造渡過了難關。?
在整個工程建設中,南仁東帶領團隊實現了三項自主創(chuàng)新:一是利用貴州天然的喀斯特洼地作為臺址;二是洼坑內鋪設數千塊單元,組成500米口徑球形主動反射面;三是采用輕型索拖動機構和并聯機器人,實現了望遠鏡接收機的高精度定位。?
突破技術難題后,在2016年的9月份,這座500米口徑球面射電望遠鏡,終于落成啟用了。經過22年的設計、實施和修建,南仁東終于率領團隊把圖紙變成國之重器。?
天眼從設計到技術,從材料到建造,“國產化”貫穿始終?!疤煅邸惫こ痰脑杏驼Q生,烙印著讓我們自豪的“中國制造”。最終建成的“天眼”擁有500米的口徑、相當于30個足球場的接收面積。和德國波恩100米望遠鏡相比,靈敏度提高了大約10倍;比美國“阿雷西博”305米望遠鏡的綜合性能,也提高了大約10倍??茖W家打了個比方,有人在月亮上打手機,也逃不過它的“眼睛”。?
借助這只巨大的“天眼”,科研人員可以窺探星際之間互動的信息,觀測暗物質,測定黑洞質量,成為名副其實的“看星星的孩子”。“天眼”尋找脈沖星的表現,就像南仁東為它取的英文名字一樣有著更深的寓意,英文名縮寫“FAST”代表著迅速、敏銳。憑借多項技術突破,天眼成為世界射電望遠鏡中的佼佼者,這也為世界天文學的新發(fā)現提供了重要機遇。?
目前,“天眼”經過緊張的調試工作,已經實現了跟蹤、漂移掃描、運動中掃描等多種觀測模式。隨著接收裝置的不斷調試,天眼的巡天成像效率也將不斷提升,下面我們來聽聽“天眼”啟用后所取得的成就:?
2017年10月,首次探測到數十個優(yōu)質脈沖星候選體,其中6顆通過國際認證。這是天眼蹣跚稚嫩的第一步,是它載著我國天文學邁向星辰大海的第一步。?
截至2018年底,中國天眼成功發(fā)現了59顆脈沖星,而其中有44顆脈沖星被確認是新發(fā)現的。如今,它依然在不斷刷新脈沖星數量。它的宇宙信號搜索能力同樣讓世界震驚,其中有一顆毫秒級脈沖星,是世界上到今天為止發(fā)現的電流最弱的脈沖星。?
2019年3月,和天馬望遠鏡團隊合作,首次成功實現聯合觀測,這意味著“天眼”具備了聯合組網觀測的能力。?
2019年4月,“天眼”首次發(fā)現類地行星,它與人類近在咫尺,并且在規(guī)律性發(fā)出信號。我們知道,宇宙中其實是有很多的無線電磁信號,這些信號大部分來自一些特殊的天體,比如脈沖星,但還有一些信號可能是外星文明發(fā)出的。而“天眼”就是用來探測地外生命的重要工具之一,這也是人類首次通過探測信號源來發(fā)現和地球相類似的星體。?
從“天眼”啟動以來,的確取得了令人欣慰的成果。也為我國天文學領域研究,帶來了新的突破和機遇。這些成果,屬于總工程師南仁東和所有繼續(xù)為“天眼”奮戰(zhàn)的科研工作者。我們相信,“天眼”一定會探測到更多種類的星體,也希望這個“數星星的孩子”穩(wěn)步成長。終有一天,它會不負眾望獲得更多天文觀測成果,來回報天文學家的無私奉獻,為人類文明進步做出貢獻。?
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