我們頭頂的浩瀚星空,到底藏著什么秘密?宇宙深空,是否孕育著人類發展新的機會?

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鏡,簡稱FAST。FAST采用全新的設計理念,是當今世界最大的、最靈敏的單口徑球面射電望遠鏡,能夠在無線電波段搜索來自百億光年之外的微弱信號。

(資料圖片僅供參考)

近日,本報記者采訪了“中國天眼”FAST總工程師姜鵬。作為守護“中國天眼”的“追星人”,姜鵬的主要研究方向為射電天文技術與方法,目前全面負責“中國天眼”運行和發展規劃的相關工作。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“視網膜”

2009年,31歲的姜鵬剛剛博士畢業,意氣風發。

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

正猶豫時,姜鵬看到了“中國天眼”的招聘信息,瞬間來了興趣。

“當時在我看來,‘中國天眼’的建設非常大膽,極具挑戰性。”姜鵬對本報記者說,FAST望遠鏡幾乎滿足了自己對一個傳奇工程所有的期待和設想——最大的工程體量、超高的精度要求、極其特殊的工作方式,這些構成了工程領域前所未有的技術挑戰。

“我特別想知道這個項目準備如何實現,所以就想加入這個勇于創新的團隊。”姜鵬說。

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

FAST的建設有多難?

它不僅涉及天文學、力學、機械工程、結構工程、電子學甚至巖土工程等幾十個不同專業領域,且關鍵技術無先例可循,關鍵材料急需攻關,現場施工環境也非常復雜。

對于FAST團隊而言,FAST的建設是“摸著石頭過河”,如何設計、如何實現,建成之后如何調試和使用……所有難題都只能靠建設團隊自己解決。

“這比我們一般認知的工程項目難太多了,很多事情都沒把握。”姜鵬說。

在FAST建設的初期,姜鵬接到的第一個任務,就讓他感到了壓力。

“當時FAST工程首席科學家兼總工程師南仁東老師問我,敢不敢承擔FAST建設的重點任務——索網工程。”姜鵬說,“簡單來說,就是給FAST這只‘天眼’裝一個‘視網膜’。由于我的專業是結構力學,所以這個重任就交到了我手上。”

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

“一個500米跨度的望遠鏡,控制精度卻要達到2毫米,到底怎么實現?”帶著南仁東老師布置的課題,姜鵬反復琢磨,下決心做好這個沒有先例的建設工程。

工程啟動沒多久,團隊就遇到了一個大難關——索網疲勞問題。

常見的斜拉橋上的鋼索,其強度大都是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,需要反復變形,不斷拉伸;望遠鏡則至少需要應用30年,這些,對鋼索提出了更高要求。經過設計人員反復思考、計算后,提出了安裝強度為500兆帕、彎曲次數為200萬的鋼索的解決方案。

“當時,臺址開挖工程已經開始,而上部結構因為索網疲勞問題遲遲不能定型,工程實施迫在眉睫。”姜鵬說,那時他們從市面上買了數十根鋼索進行實驗,卻沒有一根能滿足要求。“怎么辦?如果問題不解決,整個望遠鏡建設就得停滯。商討之后,我們決定進行一次大規模的鋼索疲勞性能實驗研究。”

在南仁東的指導下,姜鵬帶領團隊,開始了一場長達兩年的大規模鋼索疲勞實驗。他們日夜摸索、反復測試實驗,經歷了近百次失敗后,終于研制出超高耐疲勞鋼索,完成了索網結構建設工程。

作為主動反射面的主要支撐結構,FAST的索網結構被視為當今世界跨度最大、精度最高的索網結構。

6670根主索、2225個主索節點及相同數量的下拉索,完整地拼出了FAST的索網。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,網格逐漸爬滿了“鍋”底,向上延伸“咬住”環梁,反射面面板一圈一圈鋪滿索網的空隙,織完巨網。

這一索網結構,是世界上第一個采用變位工作方式的索網體系。也就是說,促動器根據力學模型信息,控制下拉索改變索網的形狀,根據觀測天體的方位,啟動促動器控制下拉索,在FAST反射面的不同區域形成直徑為300米的瞬時拋物面,以實現精確觀測。

“中國天眼”是南仁東留給祖國的驕傲

1993年,國際無線電科學聯盟大會在日本京都舉行,南仁東也去參加了大會。

在現場,有科學家提出,在全球電波環境繼續惡化之前,人類應該建造新一代射電天文望遠鏡,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,中國的天文學研究就有可能領先國際幾十年。”“建造新一代射電天文望遠鏡”這個大膽的設想油然而生。一向低調的南仁東坐不住了,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90年代初的中國而言,大射電望遠鏡的建造計劃,大膽得近乎瘋狂。無論地質條件、技術條件,還是工程成本都難以達到。因此,幾乎所有業內專家都不看好這個項目。

盡管如此,天生倔強又愛迎接挑戰的南仁東,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節,已耗費了大家數年時間和精力,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。

于是,南仁東開始自掏路費,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”重大科技基礎設施正式被國家批準立項。從那一天起,FAST就如同其英文縮寫的含義(快速)一樣,開始了快速建設之旅。

“南老師當時對我說,中國的射電天文學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、走得快一點,否則永遠趕不上。”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。”

在FAST建設啟動后,南仁東逐漸把調試和運行“中國天眼”的重任,交給FAST的新一代年輕科學家和工程師們。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,

進入它無垠的廣袤……”

FAST建成后,很快進入調試階段,姜鵬接棒南仁東成為第二任總工程師,繼續帶領團隊攻克一道又一道難關。

在他看來,這是一個沒有硝煙的戰場。FAST全新的設計理念注定了團隊不可能有任何成功的經驗可供參考,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3個春節帶領團隊奮戰在項目現場。

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

功夫不負有心人,2017年8月,FAST第一次實現了對固定目標源的跟蹤;2019年4月通過工藝驗收并向中國國內天文學家試開放;2020年1月通過國家驗收,正式開放運行。

FAST建設和調試的快速成功,離不開其背后的科研團隊和建設團隊十年如一日奮斗在科研一線的執著和熱情。

說起自己的團隊成員,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’。有一句最能體現我們團隊精神的話,那就是——一群‘傻小子’靠著自己的‘傻’勁把事兒干成了!”

姜鵬認為,科研工作有3個特點,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展。“我們不能總是放大1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,持續堅持,隨著時間的推移,你會很快發現,持之以恒者會把隨波逐流者和急功近利者甩出很遠。”科研的第三個特點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場,是他們應該常駐的地方。

“作為一名科研工作者,我認為最重要的品質是求真和務實。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良品質。”姜鵬對本報記者說,“科研一線是產生科學價值的前沿陣地,我認為要保證一線科研人員的熱情,這是非常重要的。我現在努力在做的就是讓更優秀的科技人才安心、有意愿地留在科研一線。”

保持清醒才能持續領先

有天文愛好者曾經好奇地問,FAST到底“快”在哪里?

FAST快在安全高效,沒有延期一天。工程建設從2011年3月5日開工報告批復之日起,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快在調試期不到兩年。“要知道即便一架傳統的望遠鏡調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雜的系統的調試任務。”姜鵬說。

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

FAST快在調試階段就開始系統發現新脈沖星。這歸功于科學團隊提前準備,對團隊成員進行了相應的觀測及數據處理訓練,開發了數據處理軟件和數據庫……

FAST到底強在哪里?

FAST的關鍵技術成果可應用于諸多相關領域,如大尺度結構工程、公里范圍高精度動態測量、大型工業機器人研制以及多波束接收機裝置等。

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,將深空通訊數據下行速率提高幾十倍。FAST將脈沖星測時精度提升數倍,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,為自主導航這一前瞻性研究打下基礎。

作為一個多學科基礎研究平臺,FAST憑借其超強的靈敏度,有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣,觀測暗物質和暗能量,能研究極端狀態下的物質結構與物理規律;有希望發現奇異星和夸克星物質,發現中子星以及黑洞雙星,無需依賴模型精確測定黑洞質量;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開放數據產出的高水平論文已經超過150篇,發現的脈沖星總數超過780顆,是國際上同一時期所有其他望遠鏡發現脈沖星總數的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域產出一系列具有國際影響力的科學成果,有多篇論文在《自然》雜志上發表,有2篇論文在《科學》雜志上發表,其中一篇關于快速射電暴的成果入選《自然》、《科學》評選的2020年世界十大科學發現和突破。

在姜鵬看來,天文學是浪漫的,可是天文儀器領域的競爭卻是殘酷的。姜鵬對本報記者說:“天文學競爭還是相對激烈的,我們要有危機意識。如果把視線方向調向未來,我們要保持足夠的清醒,扎扎實實解決關鍵問題,不斷提升望遠鏡的性能,只有這樣才有可能在日趨激烈的國際競爭背景下保持FAST來之不易的領先優勢。”

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

說起“中國天眼”團隊奮斗的感受,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地。”

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