洞穿未來的“超級天眼”

500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）工程施工場面和滿天繁星相映生輝（2016年6月27日攝）。

被譽為“天眼”的國家重大科技基礎設施500米口徑球面射電望遠鏡2016年9月25日落成啟用。經過8個多月的前期調試,近日啟動試觀測,進入邊觀測邊調試的關鍵階段。

國外可參考的大口徑望遠鏡,一般需要3年左右調試。“天眼”采用主動反射面板,控制參數更為復雜。中科院國家天文臺的工作團隊晝夜無休,為的是在最短時間內完成調試,盡快發揮其科研能力。

古有十年磨一劍,今有二十年“鑄天眼”。“天眼”的研制和建設,飽含著中國人對探索宇宙新知的向往。它由中國天文學家于1994年提出構想,經過13年預研究,2007年7月立項,2011年3月開工,歷時5年半建設完成。關鍵技術無先例可循、關鍵材料急需攻關、核心技術遭遇封鎖……從預研到建成的22年時間里,我國老中青三代科技工作者克服了不可想象的困難。

2010年8月,在“天眼”工程開工前夕,團隊接到哈爾濱工業大學傳來的消息,前期做的所有索網實驗全都失敗了。“國內頂級的應用于斜拉橋上的鋼索,標準強度是200兆帕、抗200萬次彎曲,用在‘天眼’實驗上都斷了。”饋源支撐系統總工程師孫才紅說,按設計要求,“天眼”需要強度為500兆帕、抗200萬次彎曲的鋼索,這意味著把材料工藝提高到國標水平的2.5倍。

當時負責索網疲勞問題的是剛到天文臺工作不久的博士生姜鵬,他立下“軍令狀”,扎根合作研究的公司一線,經過一年半的艱苦技術攻關,完成了索網變位策略優化及疲勞性能評估工作,降低了索網的變位應力幅,最終生產出滿足要求的鋼索。

美國阿雷西博望遠鏡的饋源平臺重達1000噸,幾乎等于用固定軌道把平臺架設在半空,這樣的設計有利于饋源的定位,卻縮小了觀測角度。

經過密集的科研攻關,“天眼”最終創新性采取輕型索支撐饋源平臺方案,把饋源艙減重到30噸,覆蓋天頂角是美國望遠鏡的兩倍,并通過并聯機器人二級調整,最終在降低建造成本的同時,實現毫米級高精度定位。

國家天文臺臺長嚴俊說,“天眼”項目由最初不到5人的研究小組發展到上百人團隊,凝聚了國內100多家參建單位的力量,在口徑、靈敏度、分辨率、巡星速度等關鍵指標上超越國外同類望遠鏡,實現了大科學工程由跟蹤模仿到集成創新的跨越。

此前,100米口徑的德國波恩望遠鏡號稱“地面最大的機器”,305米口徑的美國阿雷西博望遠鏡被評為人類20世紀10大工程之首。面向21世紀的中國“超級天眼”不僅更大而且更強,綜合性能提高約十倍。

據國家天文臺射電天文研究部首席科學家、“千人計劃”專家李菂透露,“天眼”的首批觀測目標鎖定在直徑10萬光年的銀河系邊緣,那里已經是普通射電望遠鏡無法企及的地方,而“天眼”將來要瞄準的是河外星系甚至宇宙邊緣。

射電望遠鏡誕生至今,人類發現約2500顆脈沖星,它們全部位于銀河系內。“天眼”超群的靈敏度使它具備超強的發現力:發現的脈沖星數量有望翻倍,發現氣體星系有望在過去的基礎上提高10倍,有望發現新的星際分子……

嚴俊表示,“天眼”在獲得天體超精細結構、搜索可能的星際通訊信號、測量近地天體軌道等方面都有優勢,從脈沖星中遴選出脈沖信號穩定的毫秒級脈沖星,將來有望應用于導航。

宇宙從哪里來,又將到哪里去?二十世紀后半葉,射電天文學方興未艾,接連涌現類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射四大天文發現。這些發現看上去高深而遙遠,卻在某些方面“洞悉”了未來。射電天文學家在研究中的副產品WLAN技術,成了今天每個人生活都離不開的WIFI技術的前身。

回溯原初宇宙,這是科學家們研制建造“天眼”的原動力,也是他們的終極目標。離原初最近,才可能離未來最近。從這個意義上說,洞穿未來的“超級天眼”是我國在科學前沿實現重大原創突破、加快創新驅動發展的利器,為更多人投身科學事業奠定了基礎。