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fast天眼建設過程

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fast天眼建設過程

1994年,南仁東從美國觀看阿雷西博望遠鏡之後,立志要修建一座中國的無線電望遠鏡。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——無線電天文學。在20世紀60年代,四大天文發現中宇宙微波背景輻射、類星體、脈衝星和星際分子,都是利用無線電望遠鏡才得以進行觀測的。的確,天文學的真諦在於觀測,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台副台長的南仁東才提出:在我國境內建造直徑500米、世界最大的單口徑無線電望遠鏡。

當時,我國最大的無線電望遠鏡口徑只有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無線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麼克服呢”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無線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窪地作為望遠鏡台址,建設巨型球面望遠鏡,並且立即啟動貴州選址工作。

為了在貴州喀斯特地形區找到一個完美的窪地,南仁東拄着竹竿,挽着褲腿,爬上爬下。這樣的勘測過程,長達12年。當時,南仁東帶着300多幅衞星遙感圖,跋涉在我國西南的大山裏。為了選址,幾乎踏遍了那裏的所有窪地。最終經過多年的論證,無線電望遠鏡選址定在貴州省平塘縣的大窩凼窪地。這塊窪地,有幾百米的山窪被四面的山體環繞,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米口徑的大傢伙,世界上獨一無二的大塊頭,需要大資金,必須得充分論證,儘快立項。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。

初期勘探結束後,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准立項。“天眼”項目副總工程師李菂説道:“南老師的執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,先後150多家國內企業、20餘家科研單位、數千人的施工隊伍相繼投入天眼建設。這麼大的無線電望遠鏡建設,關鍵技術方面沒有先例可循、關鍵材料急需攻關、現場施工環境非常複雜,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、研究員姜鵬回憶説到,“在對購買的十餘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,台址開挖工程已經開始,設備基礎工程迫在眉睫,可由於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。”

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。於是,南仁東決定轉向鋼索的研製。整個研製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,研製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新:一是利用貴州天然的喀斯特窪地作為台址二是窪坑內鋪設數千塊單元,組成500米口徑球形主動反射面三是採用輕型索拖動機構和並聯機器人,實現瞭望遠鏡接收機的高精度定位。

突破技術難題後,在2016年的9月份,這座500米口徑球面無線電望遠鏡,終於落成啟用了。經過22年的設計、實施和修建,南仁東終於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。“天眼”工程的孕育和誕生,烙印着讓我們自豪的“中國製造”。最終建成的“天眼”擁有500米的口徑、相當於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。科學家打了個比方,有人在月亮上打手機,也逃不過它的“眼睛”。

藉助這隻巨大的“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”尋找脈衝星的表現,就像南仁東為它取的英文名字一樣有着更深的寓意,英文名縮寫“FAST”代表着迅速、敏鋭。憑藉多項技術突破,天眼成為世界無線電望遠鏡中的佼佼者,這也為世界天文學的新發現提供了重要機遇。

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。隨着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”啟用後所取得的成就:

2017年10月,首次探測到數十個優質脈衝星候選體,其中6顆通過國際認證。這是天眼蹣跚稚嫩的第一步,是它載着我國天文學邁向星辰大海的第一步。

截至2018年底,中國天眼成功發現了59顆脈衝星,而其中有44顆脈衝星被確認是新發現的。如今,它依然在不斷刷新脈衝星數量。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衝星,是世界上到今天為止發現的電流最弱的脈衝星。

2019年3月,和天馬望遠鏡團隊合作,首次成功實現聯合觀測,這意味着“天眼”具備了聯合組網觀測的能力。

2019年4月,“天眼”首次發現類地行星,它與人類近在咫尺,並且在規律性發出信號。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,比如脈衝星,但還有一些信號可能是外星文明發出的。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,屬於總工程師南仁東和所有繼續為“天眼”奮戰的科研工作者。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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