洞穿未来的“超级天眼”

500米口径球面射电望远镜（FAST）工程施工场面和满天繁星相映生辉（2016年6月27日摄）。

被誉为“天眼”的国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜2016年9月25日落成启用。经过8个多月的前期调试,近日启动试观测,进入边观测边调试的关键阶段。

国外可参考的大口径望远镜,一般需要3年左右调试。“天眼”采用主动反射面板,控制参数更为复杂。中科院国家天文台的工作团队昼夜无休,为的是在最短时间内完成调试,尽快发挥其科研能力。

古有十年磨一剑,今有二十年“铸天眼”。“天眼”的研制和建设,饱含着中国人对探索宇宙新知的向往。它由中国天文学家于1994年提出构想,经过13年预研究,2007年7月立项,2011年3月开工,历时5年半建设完成。关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、核心技术遭遇封锁……从预研到建成的22年时间里,我国老中青三代科技工作者克服了不可想象的困难。

2010年8月,在“天眼”工程开工前夕,团队接到哈尔滨工业大学传来的消息,前期做的所有索网实验全都失败了。“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。”馈源支撑系统总工程师孙才红说,按设计要求,“天眼”需要强度为500兆帕、抗200万次弯曲的钢索,这意味着把材料工艺提高到国标水平的2.5倍。

当时负责索网疲劳问题的是刚到天文台工作不久的博士生姜鹏,他立下“军令状”,扎根合作研究的公司一线,经过一年半的艰苦技术攻关,完成了索网变位策略优化及疲劳性能评估工作,降低了索网的变位应力幅,最终生产出满足要求的钢索。

美国阿雷西博望远镜的馈源平台重达1000吨,几乎等于用固定轨道把平台架设在半空,这样的设计有利于馈源的定位,却缩小了观测角度。

经过密集的科研攻关,“天眼”最终创新性采取轻型索支撑馈源平台方案,把馈源舱减重到30吨,覆盖天顶角是美国望远镜的两倍,并通过并联机器人二级调整,最终在降低建造成本的同时,实现毫米级高精度定位。

国家天文台台长严俊说,“天眼”项目由最初不到5人的研究小组发展到上百人团队,凝聚了国内100多家参建单位的力量,在口径、灵敏度、分辨率、巡星速度等关键指标上超越国外同类望远镜,实现了大科学工程由跟踪模仿到集成创新的跨越。

此前,100米口径的德国波恩望远镜号称“地面最大的机器”,305米口径的美国阿雷西博望远镜被评为人类20世纪10大工程之首。面向21世纪的中国“超级天眼”不仅更大而且更强,综合性能提高约十倍。

据国家天文台射电天文研究部首席科学家、“千人计划”专家李菂透露,“天眼”的首批观测目标锁定在直径10万光年的银河系边缘,那里已经是普通射电望远镜无法企及的地方,而“天眼”将来要瞄准的是河外星系甚至宇宙边缘。

射电望远镜诞生至今,人类发现约2500颗脉冲星,它们全部位于银河系内。“天眼”超群的灵敏度使它具备超强的发现力:发现的脉冲星数量有望翻倍,发现气体星系有望在过去的基础上提高10倍,有望发现新的星际分子……

严俊表示,“天眼”在获得天体超精细结构、搜索可能的星际通讯信号、测量近地天体轨道等方面都有优势,从脉冲星中遴选出脉冲信号稳定的毫秒级脉冲星,将来有望应用于导航。

宇宙从哪里来,又将到哪里去?二十世纪后半叶,射电天文学方兴未艾,接连涌现类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射四大天文发现。这些发现看上去高深而遥远,却在某些方面“洞悉”了未来。射电天文学家在研究中的副产品WLAN技术,成了今天每个人生活都离不开的WIFI技术的前身。

回溯原初宇宙,这是科学家们研制建造“天眼”的原动力,也是他们的终极目标。离原初最近,才可能离未来最近。从这个意义上说,洞穿未来的“超级天眼”是我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展的利器,为更多人投身科学事业奠定了基础。