星辰大海，才是它的征途——“中國天眼”通過國家驗收正式開放運行

　　眼力決定眼界。1月11日，當被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡通過國家驗收正式開放運行，成為全球最大且最靈敏的射電望遠鏡，也意味著人類向宇宙未知地帶探索的眼力更加深邃，眼界更加開闊。

　　2顆，11顆，43顆，93顆，102顆……從2017年10月“中國天眼”首次發(fā)現(xiàn)2顆脈沖星，到11日召開的國家驗收會上公布已發(fā)現(xiàn)102顆脈沖星，它兩年多來發(fā)現(xiàn)的脈沖星超過同期歐美多個脈沖星搜索團隊發(fā)現(xiàn)數(shù)量的總和。

　　大器晚成，問鼎射電望遠鏡之巔

　　“中國天眼”的靈敏度達到世界第二大射電望遠鏡的2.5倍以上，可有效探索的空間范圍體積擴大4倍，使科學家有能力發(fā)現(xiàn)更多未知星體、未知宇宙現(xiàn)象、未知宇宙規(guī)律……

　　驗收會上，中科院院士武向平等6位專家分別宣讀工藝驗收、電波環(huán)境保護等驗收意見，國家發(fā)改委高技術(shù)司副司長沈竹林宣布“中國天眼”各項指標均達到或優(yōu)于批復(fù)的驗收指標，主要性能指標達到國際領(lǐng)先水平，具備了開放運行條件。

　　國家天文臺研究員、“中國天眼”總工程師姜鵬認為，通過國家驗收意味著“中國天眼”完成了工程師和科學家之間的交接棒，“火力全開”投入科學觀測，接下來兩三年內(nèi)將有一系列重要科學產(chǎn)出，同時進一步穩(wěn)定望遠鏡的性能。

　　古人感嘆，天邊眼力破萬里；而今，“天眼”的眼力破億光年。它靜若處子，除了反射面變形時上千個液壓促動器一齊低吼，幾乎不會動。它又迅若奔雷，每秒最高傳輸基帶數(shù)據(jù)38G，每小時接收的平均有效科學數(shù)據(jù)約3.6T。

　　從宇宙星辰，到基本粒子，人類的科學發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新越來越離不開強大的科研儀器，特別是大科學裝置，與創(chuàng)新思維共同構(gòu)成了現(xiàn)代科學技術(shù)突破的必要條件。

　　中科院院士、天體物理學家方成認為，中國曾是世界上天文記錄最久遠、最完整的國家。在超過3000年的時間里，連續(xù)不斷地記錄著各種天文現(xiàn)象，包括日食和月食、太陽黑子、彗星和流星、客星（新星和超新星）等。中國古代天文學家編制了100多種天文歷法，也發(fā)明了大量的天文儀器。

　　“但近代以來，中國天文學跟其他科學技術(shù)一樣，大大落后于率先完成工業(yè)革命的西方國家，很多先進的儀器見都沒見過。”國家天文臺研究員韓金林說，即便在上世紀，老一輩天文學家也只能尋求與國外合作，相當于借用別人的望遠鏡，大多只能做一些邊緣課題。

　　以王綬琯、南仁東等為代表的中國第一代、第二代天文學家，努力縮小中國與世界先進水平的差距，擔起“趕潮兒”的責任。

　　1993年，包括中國在內(nèi)的10個國家的天文學家，提出建造新一代射電“大望遠鏡”的倡議，渴望回溯原初宇宙，解答天文學難題。

　　當時，懷著回報民族的赤誠和描繪宇宙的初心，活躍在國際天文界的南仁東毅然回國，力主中國獨立建造射電“大望遠鏡”。

　　從1994年開始選址和預(yù)研究，到2016年9月25日“中國天眼”落成啟用，南仁東率團隊用20多年幫助中國實現(xiàn)了追趕——建成了世界最大的射電望遠鏡。

　　目光如炬，摘星于百億光年之外

　　可能有人會問，既然“中國天眼”3年前落成啟用了，為什么今天才驗收呢？實際上，要實現(xiàn)科學家的各種觀測意圖，達成穩(wěn)定可靠的靈敏度，對望遠鏡來說并非易事。

　　從世界最大到世界最靈敏，正是“中國天眼”3年來一刻不停調(diào)試和試觀測的目標和成果。它的觀測范圍能企及河外星系甚至百億光年之外的宇宙邊緣。

　　靈敏度和分辨率是射電望遠鏡的兩大核心指標。由于星體距離地球十分遙遠，到達地球時能量微弱，靈敏度是科學家發(fā)現(xiàn)暗弱天體的能力，而要想進一步看清遙遠天體的真實面貌，就要依靠分辨率。

　　“靈敏度是最‘硬’的指標，基本由望遠鏡的口徑限定死了。相比之下，分辨率則可以通過多臺相對小的望遠鏡協(xié)同配合來提高。”國家天文臺副研究員錢磊介紹。

　　“開創(chuàng)了建造巨型射電望遠鏡的新模式，突破了傳統(tǒng)望遠鏡的工程極限，采用全新設(shè)計方案、口徑更大的‘中國天眼’，比國外同類望遠鏡的調(diào)試期更短，遠超國際慣例和同行預(yù)期。”姜鵬說。

　　從下面的幾組數(shù)據(jù)，我們可以窺見“中國天眼”的身形：

　　大——反射面由4450個反射單元構(gòu)成，總面積為25萬平方米，相當于30個標準足球場那么大。如果把它看成是一口盛滿水的鍋，容量夠全世界每個人分到4瓶水。

　　巧——30噸的饋源艙通過6根鋼索控制，可以在140米高空、206米的尺度范圍內(nèi)實時定位。

　　強——能看見更遙遠暗弱的天體，它1分鐘就能發(fā)現(xiàn)的星體，即使把坐標提供給百米口徑的射電望遠鏡，對方也要9分鐘才能看見。

　　精——500米的尺度上測量角度精確到8角秒，10毫米的定位精度要求最高做到了3.8毫米。

　　“但這些設(shè)計、性能和精度不是理所當然的。”姜鵬說，“天眼”的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的。要實現(xiàn)反射面變形，對抗疲勞性能的要求極高，現(xiàn)成的鋼索實驗中都斷了。如果這個材料和工藝層面的問題不解決，整個項目就要停滯。

　　回憶10年前的“索網(wǎng)攻關(guān)”，姜鵬記憶猶新：“我們進行了可能是有史以來最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗，經(jīng)過近百次失敗，終于研制出超高耐疲勞鋼索，在200萬次循環(huán)加載條件下可達500MPa應(yīng)力幅，國際上尚無先例。”

　　實際上，整個團隊各個子系統(tǒng)的研制過程，幾乎都是如履薄冰。從26年前以南仁東為代表的幾位科學家，發(fā)展到今天100人左右、平均年齡35歲、能獨立自主設(shè)計建造大型射電望遠鏡和同類天線的隊伍，前后4代科研工作者前赴后繼、扎根深山，不負當代天文學“弄潮兒”。

　　一眼當先，大裝置牽引科技創(chuàng)新

　　科學技術(shù)進步的速度，從過去以萬年、千年、百年為尺度，已經(jīng)變成現(xiàn)在的十年、一年，甚至日新月異。但對物理學、天文學來說，似乎還在啃量子力學和相對論的老本。

　　重大突破，科研儀器先行。北京大學科維理天文與天體物理研究所研究員李柯伽認為，天文學乃至物理學都是實驗科學，前人的理論研究走在了前面，后人的實驗驗證是關(guān)鍵，這就必須用到大科學裝置。

　　“處在發(fā)展上升階段的學科，誰在提出問題，誰就掌握發(fā)展動向，如果沒有大裝置做實驗，就提不出問題，只能跟在別人后面解決問題。”李柯伽說，邊界尚未知曉的天文學，無疑是發(fā)展中的學科。

　　“天天摸著望遠鏡做觀測的人，才能發(fā)現(xiàn)前沿的問題。”韓金林說，過去中國缺少大望遠鏡設(shè)備，天文學家只能在某些領(lǐng)域從理論方面深挖，而現(xiàn)在則可以從觀測角度做出更多原創(chuàng)的、世界領(lǐng)先的成果。

　　從開工建設(shè)到國家驗收的短短9年間，收獲滿滿：

　　發(fā)表論文300余篇，其中SCI收錄80篇，EI收錄76篇。獲得第一專利權(quán)人的授權(quán)專利69項，其中發(fā)明專利39項，實用新型專利30項；

　　發(fā)現(xiàn)脈沖星優(yōu)質(zhì)候選體146顆，已證實發(fā)現(xiàn)的脈沖星102顆。與上海天文臺天馬望遠鏡成功實現(xiàn)聯(lián)合觀測，在國際甚長基線干涉測量中發(fā)揮重要作用；
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　　據(jù)國家天文臺原臺長、“中國天眼”工程經(jīng)理嚴俊介紹，在建設(shè)階段，“中國天眼”獲得了鋼結(jié)構(gòu)、自動化產(chǎn)業(yè)、機械工業(yè)、創(chuàng)新設(shè)計、測繪地理信息技術(shù)、電磁兼容研發(fā)、建設(shè)工程等10余個領(lǐng)域的國家大獎。

　　目前，“中國天眼”已成立科學委員會和時間分配委員會，將統(tǒng)籌望遠鏡運行相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃、凝練科學方向、項目遴選、數(shù)據(jù)公開等工作，更好地發(fā)揮其科學效能，促進重大科學成果產(chǎn)出。將來圍繞“中國天眼”建設(shè)的引力波探測研究、射電天文大數(shù)據(jù)等科技中心，還將發(fā)揮輻射、引領(lǐng)及推動作用，成為重要的人才培養(yǎng)基地。

　　火眼金睛，向宇宙未知地帶探索

　　“目前通常認為，宇宙中大約70%是暗能量，26%是暗物質(zhì)，不到4%是重子物質(zhì)，只有不到1%是人類能看見的發(fā)光物質(zhì)。”李柯伽說，密度極高的脈沖星屬于重子物質(zhì)，而發(fā)光物質(zhì)只相當于“一瓶可樂中的一滴水”。

　　多位天文學家都認為，至少在分米波波段射電天文學、脈沖星觀測研究領(lǐng)域，“中國天眼”很快就能世界領(lǐng)先。除了天文學觀測以及建造望遠鏡帶動的技術(shù)創(chuàng)新，它還將成為最精確的物理規(guī)律驗證實驗平臺。

　　美國國家科學院院士、伯克利大學射電實驗室主任卡爾·海爾斯教授認為，“中國天眼”比美國阿雷西博望遠鏡更加靈敏，覆蓋更大天區(qū)，且擁有19波束的接收機，在脈沖星搜尋、觀測星際云等天文學領(lǐng)域擁有革命的機遇。

　　韓金林認為，“中國天眼”目前發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星不值得驚訝，它至少再新發(fā)現(xiàn)千余顆脈沖星，把人類能看見的脈沖星庫規(guī)模拓展50%，才算小有成就。

　　在調(diào)試期間，“中國天眼”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了從未被其他望遠鏡觀測到的脈沖星現(xiàn)象。國家天文臺研究員李菂領(lǐng)銜的一個脈沖星研究結(jié)果，對經(jīng)典的“旋轉(zhuǎn)木馬”輻射模型提出了挑戰(zhàn)。再如費米高能射電源，美國阿雷西博望遠鏡搜索未果，而“中國天眼”一次探測成功。

　　姜鵬說，借助“中國天眼”超高的靈敏度，國家天文臺已經(jīng)將脈沖星的計時精度提升至世界原有水平的50倍左右，這將有可能使人類首次具備極低頻的納赫茲引力波的探測能力。

　　正因為已知太少，才點燃了人類向宇宙未知地帶探索的夢想。

　　敢當“夢潮兒”的中國科學家希望，借助“中國天眼”進行銀河系及周邊的星際介質(zhì)巡天，全面更新脈沖星和近鄰宇宙的氣體分布圖像。一旦它發(fā)現(xiàn)重要特殊意義的天體，意味著發(fā)現(xiàn)全新的未知世界，系統(tǒng)地拓展人類的宇宙視野。

　　星辰大海，才是他們的征途。

　　轉(zhuǎn)自：新華網(wǎng)

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