2017 年 10 月 10 號,國傢天文臺宣佈,經過一年緊張調試,坐落在貴州群山之中的“中國天眼” FAST “聽見”瞭來自宇宙 2 顆脈沖星的聲音。盡管這段神秘“天籟之音”隻有短短 30 秒,但卻蘊含著等待破解的宇宙之謎。FAST 超乎尋常的表現一舉實現瞭中國在脈沖星發現領域“零的突破”,為世界射電天文學發展作出瞭突出貢獻。
天眼成功 可視宇宙邊緣將揭開面紗
這些被專業網站和天文愛好者爭相轉載的聲音,有的來自 1.6 萬光年以外,有的來自 4100 光年以外,都是 FAST 望遠鏡的最新觀測成果。
隻聞其聲,不見其人。目前的資料中,我們還無法獲取這兩顆脈沖星的清晰照片,所知的隻有大致位置。這張光學波段整個天空的照片中,正中央就是銀河中心,白色圓圈指示的就是此次發現的 J1859—0131 在銀河中大致的位置,大約距地球 1.6 萬光年;黃圈是另外一顆脈沖星 J1931—01 的位置,距地球約 4100 光年。
脈沖星是高速自轉著的中子星,大多質量比太陽還要重,周長卻不足北京市六環路的長度,被譽為宇宙最神秘天體,諾貝爾獎兩度授予與脈沖星有關的發現。中國天眼此次發現脈沖星的重要的價值和意義不言而喻,除此之外,脈沖星因為其自轉周期精確,是宇宙中最精準的時鐘,將來也會影響到我們的生活。而 FAST 此次發現的這兩個脈沖星就像兩個停不下來的陀螺,一顆自轉周期 1.83 秒,另一顆自轉周期為 0.59 秒。
FAST 工程副總工程師李菂表示:“脈沖星導航是一直被研究的一個前沿的應用型課題,為將來的有可能的深空導航提供瞭一個基礎的數據。”
這兩顆脈沖星分別於 2017 年 8 月 22 日和 25 日被發現,其中前者是 FAST 確認發現的第一顆脈沖星,距離地球 1.6 萬光年,發現它時,FAST 望遠鏡隻用瞭 52.4 秒。
實際上在 FAST 望遠鏡的調試觀測階段,已經有兩顆脈沖星被發現並通過國際認證,而目前 FAST 已經探測到瞭數十個優質脈沖星的侯選體。2017 年 9 月 25 號,也就是 FAST 一周歲那天,中國科學傢就曾首次公佈一段來自宇宙深處的神秘聲音,這是一段被探測到的脈沖信號,我們接下來聽到的聲音,就是科學傢將其放大並配樂的效果,像是人類和宇宙一次超越千年的唱和。
目前 FAST 還是用的單波束接收機,簡單說就是一次隻能看一個目標,但是不久的將來。它會安裝上 19 波束接收機,未來有希望找到 4000 顆脈沖星。
李菂表示:“ FAST 現在最重要的任務還是進行進一步的調試,要全部達到設計指標,預計應該是兩年之內。”
在 FAST 之前,我國天文界面臨核心技術被國外封鎖、設備嚴重落後於人的窘境。新建成的 FAST 與號稱“地面最大機器”的德國波恩 100 米望遠鏡相比 , 靈敏度提高瞭約 10 倍;與被評為“人類 20 世紀十大工程之首”的美國阿雷西博射電望遠鏡相比,FAST 的綜合性能也提高瞭約 2.5 倍。它將幫助人們探索百億光年以外星際間的互動信息。這個 500 米口徑的大工程,帶給我們的將是超強的靈敏度,不僅可以將我國的空間測控能力從月球軌道延伸到太陽系的邊緣,而且可以捕捉到百億光年外來自宇宙爆炸時的神秘信息,將人類的探測能力提升到前所未有的高度。
“中國天眼”擁有四大絕技。
獨門絕技一,大口徑看得遠。FAST 的口徑達到瞭世界之最 500 米。理論上說 FAST 能接收到 137 億光年以外的電磁信號,這個距離接近於可視宇宙的邊緣。
獨門絕技二,靈活自如的巨眼。如果把 FAST 比作一隻巨大的眼睛,那麼這隻巨眼的眼球直徑就有 500 米,而負責接收光線的眼珠直徑就有 300 米。FAST 就是靠這個巨大靈活的眼珠來匯聚電磁波、觀測深空。
獨門絕技三,毫米精度。FAST 的設計目標,是把覆蓋 30 個足球場的信號,聚集在藥片大小的空間裡,否則,就無法監聽到宇宙中微弱的射電信號。500 米的結構,處處都是頭發絲般毫米級的精度要求。用來編織索網的 7000 多根手臂般粗細的鋼纜,每一根的加工精度都被控制在 1 毫米以內,最終的 500 米口徑的天線精度是 3 個毫米,每一塊小面板的制造精度是 1.5 個毫米。
獨門絕技四,深空獵手。FAST 能夠沖出銀河系,尋找新星,特別是快速旋轉、密度極高的脈沖星。FAST 還可能觀察到早期宇宙的蛛絲馬跡 —— 中性氫雲團的運動,掌握星系之間互動的細節,揭秘宇宙的起源和演化。
平方公裡列陣射電望遠鏡組織 SKA 總幹事菲利普 · 戴蒙德表示:“我和世界上很多科學傢都非常期待 FAST 開始觀測宇宙中不同的星體。它將有能力觀測到宇宙大爆炸時期的信號,探測能力幾乎能夠接近到整個宇宙起源。它將發現我們從未見過的事物。”
23 年仰望星空 他為中國天眼鞠躬盡瘁
建成一年來,FAST 一直仰望著宇宙蒼穹,數據顯示,近半年的時間 FAST 已經發現瞭將近 20 顆脈沖星的候選體,其中最遠的一顆距離地球距離差不多是 2 萬光年左右。FAST 的建設和投入使用取得豐碩成果,把中國射電天文學推向世界最前沿,開啟瞭中國射電波段大科學裝置系統產生原創發現的新階段。此時此刻,我們都不應該忘記一個人,他於 2017 年 9 月 15 號離開瞭我們。23 年前,他提出瞭建設“天眼”的構想,23 年來,他兢兢業業、默默奉獻最終將夢想變成瞭現實,他就是 FAST 工程總工程師兼首席科學傢南仁東。
FAST 工程總工程師兼首席科學傢南仁東表示:“人類之所以脫穎而出,從低等的生物演化成現代出現瞭文明,就是有一種對未知探索的精神。”
南仁東,1968 年畢業於清華大學無線電系,畢業後當過工人做過管理,但當他踏入天文學領域便大放光芒。2006 年在他缺席會議的情況下,被世界各國的天文學傢推選為國際天文學會射電專業部主席。
上世紀 80 年代,身為中科院研究員的南仁東留學海外,接觸到瞭國際天文學最新的研究成果。當他看到其它國傢遠超我國的天文設備時,南仁東萌生瞭研究中國人自己的望遠鏡的想法。從此,南仁東便開啟瞭一段 22 年仰望星空的浪漫冒險。
天眼建設,每一步都是難關。從 1994 年開始,南仁東和他的團隊開始瞭漫長的選址工作。由於世界上從未有先例,一切都要從頭開始,光選址與研究就花費瞭 13 年的時間。
南仁東表示:“地圖我們拿來照看,一片一片鋪在上面找,不能漏掉。”
由於射電望遠鏡不能受到無線電波幹擾,經過嚴謹的科學研究,南仁東把目光轉向人跡罕至的深山老林,打算利用喀斯特窪地建設巨型球面望遠鏡。在觀察瞭上千張衛星地圖,實地考察瞭上百個地區之後,南仁東的目光最終落在瞭貴州省平塘縣一個天然的深坑上。
南仁東表示:“我們的 FAST 臺址大窩氹窪坑,是我們從 300 多個候選窪地裡挑選出來的。對地形、地貌、工程、地質、水文都做瞭多學科的探討,我們選到瞭一個地球上獨一無二的最適合 FAST 建設的臺址。”
作為國傢重大科學基礎工程之一,FAST 的建設面對著一系列工程難題。2011 年 3 月,FAST 工程正式開工建設,一項項看似無解的技術難題接踵而至。巨大的望遠鏡無法整體移動,南仁東等科學傢以及創新團隊想出瞭一個新辦法,通過移動這些反射面板來調整觀測區域,但這也意味著支撐和調整這些反射面板活動的鋼索要承載巨大的耐疲勞考驗,耐疲勞性能必須達到規范值的兩倍。
由南仁東帶領的 FAST 團隊,是一支包括著國內幾十傢科研院所、大專院校、工程企業和 100 多位科學傢組成的數千人龐大隊伍,在這條探索的道路上他們不斷突破,不斷創新。雖然當時世界上沒有任何一個國傢能夠生產出這種鋼索。但歷時一年半的探索,科研人員終於完成瞭技術攻關。鋼索的研發成功促進瞭 12 項自主創新專利成果的形成,世界跨度最大,精度最高的索網結構,在 FAST 工程上得以成功運用。
南仁東表示:“我不是一個戰略大師,我是一個戰術性的老工人。”
天眼施工,涉及到六大系統,方方面面的事務紛繁復雜。南仁東事無巨細地把控著現場,對施工細節提出瞭嚴苛的要求。天眼的四周有一圈石頭砌的墻,承擔天眼建設的中建二局的工程技術人員,在石墻上安裝天眼的環形橋架時,深深感受到瞭南仁東的嚴謹。
中建二局 FAST 項目經理王培全表示:“石墻壘起來有一個縫,這樣它是不規則的,有部分的膨脹螺絲有打在石頭上,有打在縫裡的,將來我們的橋架安裝的時候,一連就是整體的,這個橋架問題是不大。但是南老師當時說你這不行,必須要給我返工。我當時心裡是很抵觸的,因為畢竟我這麼搭起來的,前面做的支架和現場做工效要減一半,比如說以前是一天能做十個,現在一天隻能做五個。”
在南仁東的堅持下,施工方隻好花費更多時間,對橋架進行返工。新建的橋架更加牢固,也讓施工方對南仁東更加佩服。
在這位老工人 20 多年的漫長守護下,2016 年 7 月 3 日,全球的目光都聚焦在貴州平塘縣的大山裡。人類歷史上最大的射電望遠鏡 FAST,完成瞭最後一塊反射面板的吊裝。
早上 10:47 分,重 460 公斤的最後一塊反射面單元被緩緩吊起。從塔吊到轉運機車,轉運機車再將反射面單元轉交給纜索吊,反射面單元要在空中完成兩次接力,在工人們緊密配合下,最後一塊反射面單元穩穩地吊送到安裝點。
FAST 工程網絡工程師楊清亮表示:“現在我們在望遠鏡底部,看到的反射面它實際上浮在半空中的,因為每塊反射面板大約 50 平方米,所以當時我們其實想過很多的吊裝方案,甚至包括熱氣球的吊裝,像這種大跨度高精度的吊裝方案,在全球來說,也是沒有先例可循的。”
安裝完反射面板,調試饋源艙的工作被擺上臺面。FAST 要接受來自宇宙的電波,而實現這個目標不僅依靠巨大的反射面,還需要一個靈敏的核心部件就是饋源倉。
如果說 FAST 是觀天巨眼,那饋源艙就是它的瞳孔。薑鵬將帶領團隊執行天眼落成後最重要的饋源艙調試任務。用六根鋼索拉起饋源艙,將重達 30 噸的艙體,在高空精準定位,誤差不超過 10 毫米,這樣的工程難度世界上前所未有。
FAST 工程調試核心組組長薑鵬表示:“因為這個設備是從來沒有人幹過的,這麼做過的事情,它也沒有什麼可參考的經驗,在你真正實現前,也沒有人敢給你這個答案。”
艙索聯動,饋源艙終於實現毫米級高精度定位。
薑鵬表示:“有很多當時覺得不可能實現的東西,正一步步在實現,我覺得這個是蠻有自豪感的。”
作為強大的探測無線電波工具,FAST 建成後主要目標之一就是探測脈沖星,射電望遠鏡誕生至今,人類發現約 2500 顆脈沖星全部位於銀河系內,而中國大射電望遠鏡希望依靠其超群的靈敏度,搜尋銀河外星系的脈沖星,從中遴選出脈沖信號穩定的毫秒級脈沖星,應用於空間飛行器導航領域。
此外,外星文明是否真的存在,宇宙還有哪些巨大的奧秘不為人知,種種的科學幻想 FAST 都將努力去探尋答案。
中科院國傢天文臺副研究員錢磊表示:“ FAST 最終目標是尋找宇宙的規律,就是天體的運行規律以及天體形成演化的規律。從原理上來說,如果存在外星文明的話,它發出的通信訊號的話在我們看起來應該很類似於脈沖星到達我們的時候接收到的信號。”
合抱之木,生於毫末;九層之臺,起於累土。舉一國之力,為未來打下堅實的根基,這是中國獨有的創新優勢。
原國傢天文臺副臺長鄭曉年表示:“這種有創新的東西,反映一個國傢的綜合實力,我一直在說,FAST 隻有中國人能建成,因為我們可以舉國體制辦大事情。”
在無數工作者辛勞的付出下,2016 年 9 月 25 日,FAST 工程整體竣工。可在最終的成功來臨之前,天眼之父南仁東卻累壞瞭身體,被診斷為肺癌晚期。
中建二局 FAST 項目經理王培全表示:“ 2014 年的時候,南老師那個時候精神還蠻好的,經常在山峰上看我們的佈置的管道,鋪的電纜。包括老人傢歲數大瞭我們的扶他還不行,我可以自己走的,聲音很洪亮的,精神狀態也很好,幹勁很足。但是到瞭 2016 年,再見到他的時候,那個時候感覺他就是聲音比較沙啞瞭,沒有以前那種精氣神。”
作為 FAST 的總工程師兼首席科學傢,南仁東將全身心傾註於超級天眼中。即便身患重病,仍然屢屢堅持到現場查看施工情況。
FAST 工程總工程師兼首席科學傢南仁東表示:“這個東西有一點瑕疵,我們對不起國傢,對不起人民。”
南仁東為 FAST 的誕生奉獻瞭自己的全部力量。在 FAST 的新起點上,更多的科研工作者們延續著南仁東的足跡,在探索宇宙與未來的征途上砥礪前行。
半小時觀察:強化基礎科學研究 助力創新型國傢建設
十九大報告提出,要加快建設創新型國傢。實現這一目標,要瞄準世界科技前沿,強化基礎研究,實現前瞻性基礎研究。許多基礎科學研究成果,看似實用價值不大,但殊不知,就如同萬有引力定律、相對論一樣,許多基礎科學研究成果將顛覆人類對自然的已有認知,改變、推動人類社會前行的腳步。
天文學是孕育重大原創發現的基礎科學和前沿科學,是科技進步的基石。作為由中國科學傢設計、研發制造、組織施工的大科學裝置,FAST 的綜合設計、建造體現瞭我國強大的自主創新能力。它的落成啟用,對我國在科學前沿實現重大原創突破、加快創新驅動發展具有重要意義。
“
厲害瞭 我的國!