【大陸科技發展】中國天眼 拓展人類觀察宇宙的視野

文/記者歐東衢、潘德鑫  |2022.11.05
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晨曦中的「中國天眼」全景。圖/新華社
「中國天眼」全景。圖/新華社
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。圖/新華社
二○一五年八月二日拍攝的「中國天眼」首塊面板安裝成功(上圖);二○一六年七月二日拍攝的「中國天眼」吊裝最後一塊反射面板(下圖)。圖/新華社

文/記者歐東衢、潘德鑫 

中國大陸科學家日前利用「中國天眼」FAST對一例位於銀河系外的快速射電暴開展了深度觀測,首次探測到距離快速射電暴中心僅一個天文單位(即太陽到地球的距離)的周邊環境的磁場變化,向著揭示快速射電暴中心引擎機制邁出重要一步。

該研究由「中國天眼」FAST快速射電暴優先和重大項目科學研究團隊完成,相關成果於九月二十一日在國際學術期刊《自然》發表。

年觀測時長超五千三百小時,運行效率和質量不斷提高;發現六百六十餘顆新脈衝星,進入成果爆發期;發現迄今為止唯一一例持續活躍的重複快速射電暴FRB 20190520B,並將其定位於一個距離我們三十億光年的矮星系;中國大陸科學家利用「中國天眼」FAST獲得的測量結果,為解決恆星形成三大經典問題之一的「磁通量問題」提供了重要觀測證據……

近年來,位於貴州省黔南州平塘縣大窩凼的五百公尺口徑球面射電望遠鏡(以下稱「中國天眼」或FAST)頻頻傳出震驚世界的消息。這只「觀天巨眼」在快速射電暴起源與物理機制、中性氫宇宙研究、脈衝星搜尋與物理研究、脈衝星測時與低頻引力波探測等方向持續產出成果,拓展了人類觀察宇宙視野的極限。

作為國家重大科技基礎設施,「中國天眼」實現了中國大陸在前沿科學領域的一項重大原創突破,是中國大陸科技自立自強的一個典範。

面臨史無前例挑戰

二十多年前,一群中國大陸科學家在全世界都沒有現成經驗的情況下,讓看似「空中樓閣」的「中國天眼」最終得以屹立在貴州的群山之中。

關鍵核心技術要不來、買不來、討不來。沒有科技創新的自立自強,就難以掌握關鍵核心技術,注定永遠受制於人,只能亦步亦趨。

近年來,以「中國天眼」為代表的一個個重大科技項目,不斷刷新著大陸科技發展的高度。榮耀背後,與一系列關鍵核心技術的突破密不可分。而突破力量的源泉,就厚植於自立自強的創新土壤之中。

五百公尺口徑,總面積達到二十五萬平方公尺,相當於三十個標準足球場那麼大。一九九○年代,「中國天眼」設想提出時,大膽到有些突兀,當時中國大陸最大的射電望遠鏡口徑不到三十公尺。口徑五百公尺的「中國天眼」,可將類太陽星巡視目標擴大至少五倍。

唯有雄心多壯志。為了使人類有能力探索更多未知星體、未知宇宙現象、未知宇宙規律,也為縮小中國大陸在天文領域與世界先進水平的差距,以南仁東、姜鵬等為代表的科學家、工程師,毅然承擔了這個很多人認為「不可能完成」的任務。

獨一無二的科學工程,沒有經驗可循,注定會面臨史無前例的挑戰。

二○一一年三月,「中國天眼」正式開工建設。為加快工期,台址開挖和裝置本身部件的設計和試驗同步進行。反射面板如「中國天眼」的「視網膜」,索網則是支撐「視網膜」的「神經系統」。「中國天眼」反射面板雖只有一公釐︵毫米︶厚,也要使用二千多噸鋁合金,其索網結構是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的,對抗疲勞性能的要求極高,現有鋼索都難堪重任。

FAST運行和發展中心常務副主任、總工程師姜鵬帶著一幫青年人,用整整兩年時間,進行了大規模的索疲勞試驗。近百次失敗,從千頭萬緒中不斷探尋解決問題的關鍵,終於攻克超高強度、抗反覆拉伸的鋼索,首創主動變形反射面,使望遠鏡覆蓋四十度天頂角,成功支撐起「中國天眼」的「視網膜」。

反覆試驗愈挫愈勇

「沒人告訴你可以怎麼做,誰也沒有把握自己的方法一定行。」姜鵬告訴記者,「反覆試驗、多次失敗、愈挫愈勇」的艱難攻關幾乎貫穿了FAST建設階段的每一個環節。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、建設工程等十餘個領域的國家大獎。

創新無捷徑,唯有敢攀登。

二○一六年九月二十五日,「中國天眼」宣告落成啟用,向全球工程界貢獻了大科學工程的中國經驗和創新實踐:四千四百五十個反射單元構成的反射面;六根鋼索控制的三十噸饋源艙,可以在一百四十公尺高空、二百零六公尺的尺度範圍內實時定位;五百公尺的尺度上測量角度精確到八角秒;超高耐疲勞鋼索在二百萬次循環加載條件下可達500MPa應力幅,國際上尚無先例。

想維持世界領先 創新就不能停下來

落成啟用,施工方鬆了口氣,但FAST運營團隊的每一個人心裡都清楚,真正的挑戰才剛剛開始:「世界最大」的目標實現了,還要調整成為「世界最靈敏」。

望遠鏡調試工作極具挑戰,一般傳統望遠鏡的調試周期至少需要四年。FAST的調試難度更大,不僅涉及眾多學科及專業的交叉應用,同時也存在巨大的安全風險。

「睡覺時,如有人一直在旁邊打呼嚕就很難睡著。對FAST也是如此,電磁干擾就像旁人打的呼嚕,不解決就無法正常工作。」FAST運行和發展中心電子與電氣工程部主任甘恆謙說,FAST是一個龐大的系統,所有帶電設備都會產生電磁干擾,任何一處干擾控制不好就會影響監測。

激發特殊技術需求

FAST變電站會產生很強的電磁干擾,需要安裝高壓濾波器。之前使用的是薄膜電容器,這本是一種在很多工程中得到驗證的成熟設備,但用在FAST就不行,承受不了高壓的薄膜被擊穿。

甘恆謙說,發現問題時,整個FAST的調試已經開始,去找廠家解決問題時間來不及,也不一定能找到解決辦法,只能自己突破。經過近兩年的摸索與試驗,把傳統陶瓷電容改造成穿心電容,最終的濾波效果特別好。

「中國天眼」世界最大、最靈敏的特性,激發了很多特殊的技術需求,需要中國科學家們充分發揮主觀能動性和創造力,在不斷「挑戰認知和技術極限」、不斷「發現問題、解決問題」中優化升級。

調試階段碰到的另一個難題是控制系統推翻重建。「積木搭好了,卻發現各部分無法有效連接,望遠鏡不能按照總控的指令高效運行。」FAST運行和發展中心測量與控制工程部主任孫京海說,「簡單的修復解決不了問題,這個系統是別人開發的,我們把控不了,必須果斷放棄,換系統。」

重寫核心算法代碼

為了盡快開發出新的控制系統,孫京海幾乎獨自重寫了全部核心算法代碼。記不清熬了多少個夜、錯過多少頓飯,他心裡只有一個想法:不能讓工程調試進度耽誤在自己這裡。最終,在正式測試時,一套為FAST量身定制的控制系統,所有指標一次通過。

記者問:「當時有把握開發出新系統嗎?」他說:「也沒把握一定能找到新路,但我們肯定老路一定是行不通了。」

日拱一卒無有盡,功不唐捐終入海。經過三年多的艱苦調試,「中國天眼」於二○二○年一月十一日通過國家驗收。借助「中國天眼」超高的靈敏度,國家天文台已經將脈衝星的計時精度提升至世界原有水平的五十倍左右,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。

「天眼」問天,沒有終點。姜鵬坦言,如果只把FAST當成一個望遠鏡、一台監測設備,現在已經達標了。但要維持FAST世界領先的地位,我們的創新就不能停下來,我們會傾盡全力讓FAST穩定性更好、運行效率更高。

新華社港台部供稿

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