與“中國天眼”一起仰望星空

我們頭頂?shù)暮棋强?到底藏著什么秘密?宇宙深空,是否孕育著人類發(fā)展新的機(jī)會?

層巒疊嶂,翠林如海。在貴州省平塘縣的大山之間,一座恢弘大氣的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡靜靜佇立,凝望星空,帶著人類的好奇和期待,探尋百億光年之外的射電信號。

“中國天眼”全稱是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡,簡稱FAST。FAST采用全新的設(shè)計理念,是當(dāng)今世界最大的、最靈敏的單口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡,能夠在無線電波段搜索來自百億光年之外的微弱信號。

(相關(guān)資料圖)

近日,本報記者采訪了“中國天眼”FAST總工程師姜鵬。作為守護(hù)“中國天眼”的“追星人”,姜鵬的主要研究方向?yàn)樯潆娞煳募夹g(shù)與方法,目前全面負(fù)責(zé)“中國天眼”運(yùn)行和發(fā)展規(guī)劃的相關(guān)工作。讓我們聽聽姜鵬與“中國天眼”一起仰望星空的故事。

給FAST造一個“視網(wǎng)膜”

2009年,31歲的姜鵬剛剛博士畢業(yè),意氣風(fēng)發(fā)。

此時,他站在了人生的十字路口:一種選擇是繼續(xù)從事博士專業(yè)方向的深入研究;另一種是選擇一個全新有挑戰(zhàn)性的科研工作。

正猶豫時,姜鵬看到了“中國天眼”的招聘信息,瞬間來了興趣。

“當(dāng)時在我看來,‘中國天眼’的建設(shè)非常大膽,極具挑戰(zhàn)性?！苯i對本報記者說,FAST望遠(yuǎn)鏡幾乎滿足了自己對一個傳奇工程所有的期待和設(shè)想——最大的工程體量、超高的精度要求、極其特殊的工作方式,這些構(gòu)成了工程領(lǐng)域前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。

“我特別想知道這個項目準(zhǔn)備如何實(shí)現(xiàn),所以就想加入這個勇于創(chuàng)新的團(tuán)隊?！苯i說。

毫不猶豫地投遞簡歷之后,姜鵬順利成為團(tuán)隊中的一員。此后他便一頭扎進(jìn)貴州的大山深處,開啟了與FAST相伴的14年人生。

FAST的建設(shè)有多難?

它不僅涉及天文學(xué)、力學(xué)、機(jī)械工程、結(jié)構(gòu)工程、電子學(xué)甚至巖土工程等幾十個不同專業(yè)領(lǐng)域,且關(guān)鍵技術(shù)無先例可循,關(guān)鍵材料急需攻關(guān),現(xiàn)場施工環(huán)境也非常復(fù)雜。

對于FAST團(tuán)隊而言,FAST的建設(shè)是“摸著石頭過河”,如何設(shè)計、如何實(shí)現(xiàn),建成之后如何調(diào)試和使用……所有難題都只能靠建設(shè)團(tuán)隊自己解決。

“這比我們一般認(rèn)知的工程項目難太多了,很多事情都沒把握?！苯i說。

在FAST建設(shè)的初期,姜鵬接到的第一個任務(wù),就讓他感到了壓力。

“當(dāng)時FAST工程首席科學(xué)家兼總工程師南仁東老師問我,敢不敢承擔(dān)FAST建設(shè)的重點(diǎn)任務(wù)——索網(wǎng)工程?！苯i說,“簡單來說,就是給FAST這只‘天眼’裝一個‘視網(wǎng)膜’。由于我的專業(yè)是結(jié)構(gòu)力學(xué),所以這個重任就交到了我手上?！?/p>

不同于世界上已有的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡,FAST的“視網(wǎng)膜”——球型反射面,是一張由6670根鋼索編制的索網(wǎng),它需要在球面和拋面間頻繁進(jìn)行變化,從而對天文信號進(jìn)行收集和觀測。這對支撐FAST這口“大鍋”底部的鋼質(zhì)索網(wǎng)提出了非常高的要求。索網(wǎng)工程是FAST反射面實(shí)現(xiàn)變位功能的核心部件,也是施工的核心技術(shù)難點(diǎn)。

“一個500米跨度的望遠(yuǎn)鏡,控制精度卻要達(dá)到2毫米,到底怎么實(shí)現(xiàn)?”帶著南仁東老師布置的課題,姜鵬反復(fù)琢磨,下決心做好這個沒有先例的建設(shè)工程。

工程啟動沒多久,團(tuán)隊就遇到了一個大難關(guān)——索網(wǎng)疲勞問題。

常見的斜拉橋上的鋼索,其強(qiáng)度大都是200兆帕、200萬次彎曲的。由于“中國天眼”的鋼索上要裝上反射面板,需要反復(fù)變形,不斷拉伸;望遠(yuǎn)鏡則至少需要應(yīng)用30年,這些,對鋼索提出了更高要求。經(jīng)過設(shè)計人員反復(fù)思考、計算后,提出了安裝強(qiáng)度為500兆帕、彎曲次數(shù)為200萬的鋼索的解決方案。

“當(dāng)時,臺址開挖工程已經(jīng)開始,而上部結(jié)構(gòu)因?yàn)樗骶W(wǎng)疲勞問題遲遲不能定型,工程實(shí)施迫在眉睫?！苯i說,那時他們從市面上買了數(shù)十根鋼索進(jìn)行實(shí)驗(yàn),卻沒有一根能滿足要求?！霸趺崔k?如果問題不解決,整個望遠(yuǎn)鏡建設(shè)就得停滯。商討之后,我們決定進(jìn)行一次大規(guī)模的鋼索疲勞性能實(shí)驗(yàn)研究?！?/p>

在南仁東的指導(dǎo)下,姜鵬帶領(lǐng)團(tuán)隊,開始了一場長達(dá)兩年的大規(guī)模鋼索疲勞實(shí)驗(yàn)。他們?nèi)找姑?、反?fù)測試實(shí)驗(yàn),經(jīng)歷了近百次失敗后,終于研制出超高耐疲勞鋼索,完成了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)工程。

作為主動反射面的主要支撐結(jié)構(gòu),FAST的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)被視為當(dāng)今世界跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

6670根主索、2225個主索節(jié)點(diǎn)及相同數(shù)量的下拉索,完整地拼出了FAST的索網(wǎng)。拼裝完成后,FAST的巨大反射面看起來就像一口“超級大鍋”,6個支撐塔高高豎起,網(wǎng)格逐漸爬滿了“鍋”底,向上延伸“咬住”環(huán)梁,反射面面板一圈一圈鋪滿索網(wǎng)的空隙,織完巨網(wǎng)。

這一索網(wǎng)結(jié)構(gòu),是世界上第一個采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。也就是說,促動器根據(jù)力學(xué)模型信息,控制下拉索改變索網(wǎng)的形狀,根據(jù)觀測天體的方位,啟動促動器控制下拉索,在FAST反射面的不同區(qū)域形成直徑為300米的瞬時拋物面,以實(shí)現(xiàn)精確觀測。

“中國天眼”是南仁東留給祖國的驕傲

1993年,國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會在日本京都舉行,南仁東也去參加了大會。

在現(xiàn)場,有科學(xué)家提出,在全球電波環(huán)境繼續(xù)惡化之前,人類應(yīng)該建造新一代射電天文望遠(yuǎn)鏡,接收更多外太空的訊息。

聽到這個消息,時年近50歲的南仁東興奮不已:“如果能抓住這個時機(jī),中國的天文學(xué)研究就有可能領(lǐng)先國際幾十年?！薄敖ㄔ煨乱淮潆娞煳耐h(yuǎn)鏡”這個大膽的設(shè)想油然而生。一向低調(diào)的南仁東坐不住了,跑去找到中國參會代表吳盛殷,激動地說:“咱們中國也建一個吧!”

然而,對上世紀(jì)90年代初的中國而言,大射電望遠(yuǎn)鏡的建造計劃,大膽得近乎瘋狂。無論地質(zhì)條件、技術(shù)條件,還是工程成本都難以達(dá)到。因此,幾乎所有業(yè)內(nèi)專家都不看好這個項目。

盡管如此,天生倔強(qiáng)又愛迎接挑戰(zhàn)的南仁東,決定堅持這個計劃。

對南仁東而言,最艱難的是申請立項那段時間,他深知之前的選址和論證環(huán)節(jié),已耗費(fèi)了大家數(shù)年時間和精力,接下來立項必須成功。否則,便意味著先前的所有工作都是白費(fèi)。

于是,南仁東開始自掏路費(fèi),從東北到東南再到西北,一家單位一家單位去談。最終,在他的努力下,厚厚的立項申請書上出現(xiàn)了20多個合作單位的名字。為找到一個合適的臺址,南仁東用了10余年時間走遍了貴州的山山水水,實(shí)地考察了幾十個窩凼。

終于,2007年7月,FAST作為“十一五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施正式被國家批準(zhǔn)立項。從那一天起,FAST就如同其英文縮寫的含義(快速)一樣,開始了快速建設(shè)之旅。

“南老師當(dāng)時對我說,中國的射電天文學(xué)研究起步比國際上其他國家晚了許多年。起步比別人晚,就要比別人花時間多一點(diǎn)、走得快一點(diǎn),否則永遠(yuǎn)趕不上。”回憶起南仁東,姜鵬給本報記者講了這樣一個故事。有一次,姜鵬項目組遇到一次比較大的變動,南仁東把他叫到辦公室問:“姜鵬,你說你一個剛畢業(yè)兩年的小年輕,我能完全相信你嗎?”姜鵬沉默了半晌,一字一句地回答:“南老師,我覺得你可以信任我?！?/p>

在FAST建設(shè)啟動后,南仁東逐漸把調(diào)試和運(yùn)行“中國天眼”的重任,交給FAST的新一代年輕科學(xué)家和工程師們。2016年9月25日,“中國天眼”正式落成。1年后,南仁東因病去世,享年72歲。姜鵬說,“中國天眼”,是南仁東老師留給祖國的驕傲。

南仁東還有幾句詩,寫給了他自己,以及自己最愛的祖國:

“美麗的宇宙太空,

以它的神秘和絢麗,

召喚我們踏過平庸,

進(jìn)入它無垠的廣袤……”

FAST建成后,很快進(jìn)入調(diào)試階段,姜鵬接棒南仁東成為第二任總工程師,繼續(xù)帶領(lǐng)團(tuán)隊攻克一道又一道難關(guān)。

在他看來,這是一個沒有硝煙的戰(zhàn)場。FAST全新的設(shè)計理念注定了團(tuán)隊不可能有任何成功的經(jīng)驗(yàn)可供參考,他們必須建立適用于FAST特殊工作方式的測量控制方法體系。為此,姜鵬連續(xù)3個春節(jié)帶領(lǐng)團(tuán)隊奮戰(zhàn)在項目現(xiàn)場。

2019年春節(jié),在別人萬家燈火的時候,FAST團(tuán)隊幾乎每天都要工作到凌晨三四點(diǎn)。有位核心成員為了保證項目進(jìn)度,沒時間回家,甚至把懷有身孕的妻子接到現(xiàn)場照料。

功夫不負(fù)有心人,2017年8月,FAST第一次實(shí)現(xiàn)了對固定目標(biāo)源的跟蹤;2019年4月通過工藝驗(yàn)收并向中國國內(nèi)天文學(xué)家試開放;2020年1月通過國家驗(yàn)收,正式開放運(yùn)行。

FAST建設(shè)和調(diào)試的快速成功,離不開其背后的科研團(tuán)隊和建設(shè)團(tuán)隊十年如一日奮斗在科研一線的執(zhí)著和熱情。

說起自己的團(tuán)隊成員,姜鵬開玩笑說:“我們是一群只知道干活,不知道其他的‘傻小子’。有一句最能體現(xiàn)我們團(tuán)隊精神的話,那就是——一群‘傻小子’靠著自己的‘傻’勁把事兒干成了!”

姜鵬認(rèn)為,科研工作有3個特點(diǎn),首先是不一定能成功,但是“不成功”的科研不一定不是好科研,科研就是要去探索一切可能性,不斷試錯。其次是工作時間和周期很長,不能急功近利,需要沉住氣、耐下心,精益求精打磨才能有所進(jìn)展?！拔覀儾荒芸偸欠糯?天時間的作用,而忽略1年時間積累的力量。”姜鵬說,“只有方向選對,持續(xù)堅持,隨著時間的推移,你會很快發(fā)現(xiàn),持之以恒者會把隨波逐流者和急功近利者甩出很遠(yuǎn)?！笨蒲械牡谌齻€特點(diǎn)是科研工作者必須堅持在一線,一線才是科研工作者的陣地和戰(zhàn)場,是他們應(yīng)該常駐的地方。

“作為一名科研工作者,我認(rèn)為最重要的品質(zhì)是求真和務(wù)實(shí)。很多科研工作不是立馬就能見到成效,這就需要我們這些科研人員,忍受得了長期寂寞,坐得了冷板凳,這些都是科技工作者尤其是在一線的奮斗者們需要具備的優(yōu)良品質(zhì)。”姜鵬對本報記者說,“科研一線是產(chǎn)生科學(xué)價值的前沿陣地,我認(rèn)為要保證一線科研人員的熱情,這是非常重要的。我現(xiàn)在努力在做的就是讓更優(yōu)秀的科技人才安心、有意愿地留在科研一線?！?/p>

保持清醒才能持續(xù)領(lǐng)先

有天文愛好者曾經(jīng)好奇地問,FAST到底“快”在哪里?

FAST快在安全高效,沒有延期一天。工程建設(shè)從2011年3月5日開工報告批復(fù)之日起,到2016年9月25日如期竣工,歷時2011天,全程沒有出過重大安全事故。

FAST快在調(diào)試期不到兩年?！耙兰幢阋患軅鹘y(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡調(diào)試周期在國際上都很少低于4年,而我們僅用時2年左右就完成這架極其復(fù)雜的系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù)。”姜鵬說。

FAST快在調(diào)試階段就已開始進(jìn)行早期科學(xué)研究。在不斷校準(zhǔn)“中國天眼”的“視力”過程中,中國天文學(xué)家們爭分奪秒地開展科學(xué)觀測。在望遠(yuǎn)鏡還不能移動的情況下,他們就采用漂移掃描的方式,讓地球自轉(zhuǎn)帶著“中國天眼”巡天。建成還不到一年,FAST就實(shí)現(xiàn)了精確跟蹤觀測模式,驗(yàn)證了它超高的靈敏度和望遠(yuǎn)鏡效率。

FAST快在調(diào)試階段就開始系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新脈沖星。這歸功于科學(xué)團(tuán)隊提前準(zhǔn)備,對團(tuán)隊成員進(jìn)行了相應(yīng)的觀測及數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練,開發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)庫……

FAST到底強(qiáng)在哪里?

FAST的關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于諸多相關(guān)領(lǐng)域,如大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量、大型工業(yè)機(jī)器人研制以及多波束接收機(jī)裝置等。

FAST把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣,將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高幾十倍。FAST將脈沖星測時精度提升數(shù)倍,可以觀測組建國際上最精確的脈沖星計時陣、建造脈沖星鐘,為自主導(dǎo)航這一前瞻性研究打下基礎(chǔ)。

作為一個多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺,FAST憑借其超強(qiáng)的靈敏度,有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,觀測暗物質(zhì)和暗能量,能研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律;有希望發(fā)現(xiàn)奇異星和夸克星物質(zhì),發(fā)現(xiàn)中子星以及黑洞雙星,無需依賴模型精確測定黑洞質(zhì)量;可用于搜尋識別可能的星際通訊信號,尋找地外文明……

近年來,基于FAST開放數(shù)據(jù)產(chǎn)出的高水平論文已經(jīng)超過150篇,發(fā)現(xiàn)的脈沖星總數(shù)超過780顆,是國際上同一時期所有其他望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的3倍以上,在脈沖星物理、快速射電暴起源、星系的形成和演化等領(lǐng)域產(chǎn)出一系列具有國際影響力的科學(xué)成果,有多篇論文在《自然》雜志上發(fā)表,有2篇論文在《科學(xué)》雜志上發(fā)表,其中一篇關(guān)于快速射電暴的成果入選《自然》、《科學(xué)》評選的2020年世界十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和突破。

在姜鵬看來,天文學(xué)是浪漫的,可是天文儀器領(lǐng)域的競爭卻是殘酷的。姜鵬對本報記者說:“天文學(xué)競爭還是相對激烈的,我們要有危機(jī)意識。如果把視線方向調(diào)向未來,我們要保持足夠的清醒,扎扎實(shí)實(shí)解決關(guān)鍵問題,不斷提升望遠(yuǎn)鏡的性能,只有這樣才有可能在日趨激烈的國際競爭背景下保持FAST來之不易的領(lǐng)先優(yōu)勢?！?/p>

談及如何延續(xù)FAST的輝煌,姜鵬表示,首先要持續(xù)提升FAST的性能。對FAST這種望遠(yuǎn)鏡來講,提升性能包括幾方面,一方面是它的視場覆蓋范圍,需要在接收機(jī)技術(shù)方面有所突破,目前,正在努力地攻關(guān)。同時,從單口徑望遠(yuǎn)鏡來講,在分辨能力上還是有它的局限性,所以陣列望遠(yuǎn)鏡的推進(jìn),可能是一個很好的解決方案,需要找一個性價比極高,同時又具備優(yōu)良性能的陣列方案。估計2023年或者2024年會啟動先導(dǎo)陣列的一些試驗(yàn),驗(yàn)證先導(dǎo)陣列方案的可行性,包括做一些技術(shù)儲備、成像能力、綜合口徑成像測試。

說起“中國天眼”團(tuán)隊奮斗的感受,姜鵬在十四屆全國人大一次會議第二場“代表通道”的采訪中說:“我們目光之所及是星辰大海,但我們走過的每一步路都是腳踏實(shí)地。”

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責(zé)任編輯：Rex_11