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让“中国创造”,擦亮深邃“天眼”!

时间:2021-02-04 19:19:43 来源:新华网


  这是2016年6月27日拍摄的“中国天眼”(检修期间拍摄)。新华社记者 欧东衢 摄

  清晨,贵州平塘大窝凼。望远镜偌大的反射面从茫茫宇宙中抓取的射电信号数据,正源源不断传输到一百多公里之外的贵阳天文大数据基地。

  被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜,自2016年9月25日落成启用以来,已发现279颗脉冲星,是同期国际上其他望远镜发现脉冲星总数的2倍多;多次捕捉到极罕见的快速射电暴爆发;参与揭示的一种快速射电暴起源机制入选《自然》十大科学发现……

  “中国创造”擦亮深邃“天眼”,探求着宇宙奥秘。

  这是一张拼版照片,左上为FAST项目拼装第一块反射面板(2015年8月2日摄)、右上为FAST反射面板安装近半(2015年12月16日摄)、左下为FAST项目反射面板安装近八成(2016年3月9日摄)、右下为FAST项目反射面板安装完成(2016年7月3日摄)。新华社记者 欧东衢 摄

  以创新思维开拓科研之基

  工欲善其事,必先利其器。“中国天眼”的建造,是饱含战略眼光的超前部署。

  20世纪90年代,当国际上还在为新一代大射电望远镜怎么建、在哪建争论不休时,以南仁东为首的中国科技工作者提出一个极富挑战、近乎天马行空的设想,得到了国家支持。

  南仁东(中)与工程技术人员在大窝凼施工现场检查施工进展(2014年12月1日摄)。新华社发(中科院国家天文台供图)

  “独立自主建”“利用喀斯特地貌建”“技术不成熟就一边研究一边建”。南仁东等人明确了这三条后,连望远镜要落户的喀斯特洼坑在哪都不知道,就开始干了。

  带着几百幅卫星遥感图,几个人踏上漫漫十年寻址路。要给望远镜找个最合适、节约成本的“家”,光看遥感图不行,只能用双脚“丈量”。经过反复筛选,最终在贵州省平塘县找到了大窝凼——最适合“天眼”的深深“眼窝”。

  过去同类射电望远镜的反射面是固定的,只能通过改变接收机的位置扫描天空中约20度的带状区域。为了在同等工程体量下获取更大观测范围,南仁东想出主动反射面的构想,并连夜画在草稿本上。

  当时,在一些人看来,那是一张工程科技很难支撑的“草图”。南仁东一边带着团队做实验,一边到各大院所、高校“招兵买马”。

  2010年8月,工程开工前夕。“国内顶级的应用于斜拉桥上的钢索,标准强度是200兆帕、抗200万次弯曲,用在‘天眼’实验上都断了。”时任馈源支撑系统总工程师的孙才红说。

  当时负责索疲劳问题的是刚到国家天文台工作的力学博士姜鹏。他立下“军令状”,与一家企业合作,进行了有史以来最系统、最大规模的索疲劳试验,经历近百次失败,用了一年半时间终于找到突破口,研制出满足要求的钢索。

  “天眼”团队一天天壮大。光是为主动反射面这个创新思维,便有几十个人贡献自己所学,联合院所、高校、企业等各方力量,完成了一连串创新。

  这是2016年6月27日拍摄的“中国天眼”(检修期间拍摄)。新华社记者 欧东衢 摄

  以不懈努力保障科研环境

  “天眼”落成启用时,姜鹏已接过总工程师的担子。调试和运维一点也不轻松,控制反射面索网的液压促动器工作强度非常高,工程师每天都要巡检,谁也不知道坏了几个促动器会不会影响观测效果,陷入疲于检修的重复劳动中。

  “姜鹏提出必须建一个反射面安全评估系统。”在望远镜调试中负责结构的工程师李辉说,按照这个思路,团队利用全过程仿真技术,把整个反射面用力学模型完全数字化,“哪个促动器坏了,哪个节点工作不正常,都能在总控室的安全评估系统中显示”,并模拟出对观测的影响,一旦超出安全范围会自动报警。

  2200多个促动器中,误差或断通讯数量超过40个,“天眼”就必须暂停观测。有反射面安全评估系统作保障,这种情况从未发生过。

  如果反射面板出问题怎么办呢?厚度仅1毫米的面板,弧度大到50多度,直接站上去肯定不行。工程师想到了模仿“太空行走”。

  2019年8月30日,工作人员在FAST反射面板上实验“微重力蜘蛛人”方案。新华社记者 欧东衢 摄

  2019年8月30日,工作人员在FAST反射面板上实验“微重力蜘蛛人”方案。新华社记者 欧东衢 摄

  这项创新技术叫“微重力蜘蛛人”,使用一个直径7.6米的氦气球将运维人员的体重减少到反射面板能承受的重量,使得人员能够到达反射面任意地方执行巡检和维护作业。

  科学家也没有停止对“天眼”的技术更新。北京大学教授、中科院国家天文台研究员李柯伽说,除了聚焦科学本身,跟“天眼”相关的天文仪器设备研制正在有序推进。

  这是2019年8月27日拍摄的“中国天眼”(检修期间拍摄)。新华社记者 欧东衢 摄

  “天眼”观测的是来自遥远天体的微弱电磁信号,要求台址电磁干扰水平极低,必须减少常规强干扰源,控制小功率干扰源,防止噪声背景恶化,预防偶发干扰。

  为了让望远镜能“安静”地仰望星空,方圆5公里核心区里数千名群众搬离故土开启新生活;平塘县关闭了核心区内及其附近的所有通信基站;罗甸县搁置了机场项目;黔南布依族苗族自治州境内划出了方圆近30公里的电磁波宁静区……系列举措为“天眼”筑起一道道安全运行防护网。

  这是2019年8月28日拍摄的“中国天眼”(检修期间拍摄)。新华社记者 欧东衢 摄

  以开放心态推动科学合作

  天文学的每一项重大成就,都丰富了人类知识宝库;天文学与其他学科交叉融合实现的每一次重大突破,都对基础科学乃至人类文明进步带来深刻影响。

  自2020年初正式开放运行以来,中科院国家天文台实现了“天眼”这座天文学利器的高水平管理和运行,但作为大科学计划、大科学工程、大科学中心中的一员,它的科学征途才刚刚起航。在科学家眼中,它能刺穿“光年之外”,能洞悉宇宙“前世”,是个身在洼地、心系深空的“天空实验室”。

  “在某些观测能力上有飞跃的设备,总会有意想不到的发现。”中科院国家天文台研究员、“中国天眼”首席科学家李菂说,“中国天眼”的灵敏度超群,使它在很多领域具备超强“发现力”,以及突破的潜力。它可以验证和探索很多宇宙奥秘,比如引力理论验证、星系演化、恒星和行星起源,乃至物质和生命的起源等。

  这是2017年8月10日,工作人员在FAST馈源舱内工作(检修期间拍摄)。新华社记者 欧东衢 摄

  李菂说,天文学是个开放的学科,大部分“天眼”早期科学成果都有国际专家参与。2021年4月面向全球科学界开放后,交流合作会更多。“中国天眼”科学委员会和时间分配委员会的成员是中国人,但相关评审是按照提交申请所属的专业领域,交由国际顶尖专家评审,完全与研究前沿接轨。

 

  2020年1月11日,专家学者在“中国天眼”考察(检修期间拍摄)。新华社记者 欧东衢 摄

 

  2020年1月11日,专家学者在“中国天眼”考察(检修期间拍摄)。新华社记者 刘续 摄

  由于“天眼”是中国独资的大科学工程,有既定的科学任务和规划,包括多科学目标漂移扫描巡天、中性氢星系巡天、银河系偏振巡天、脉冲星测时、快速射电暴观测等在内的先导项目,大多已由中国科学家领衔。

  据李菂介绍,在时间分配上,外国科学家总计可以分享10%的望远镜时间,按照项目评审的打分情况,在这10%的时间内进行分配,预计竞争会比较激烈。

 

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