開放中國天眼：全球視界的一場“盛宴”

本刊綜合

每個喜歡星星的孩子心中都有一個天文夢。他們聽著“數(shù)星星孩子”這個故事，憧憬飛往浩瀚的太空，幻想有一天也能成為像張衡一樣的天文學(xué)家。

人類自從站立在腳下這片大地以來就一直觀察星空，研究群星之間的運行規(guī)律。閃耀的恒星令人向往，人類對遙遠行星地表發(fā)生的一切更是充滿了好奇。美國天文學(xué)家卡爾·薩根曾經(jīng)說過，每個人年幼時都是科學(xué)家，對自然界充滿好奇和敬畏。

今天，讓我們一起重拾曾經(jīng)的夢想，認識一位幫我們圓夢的“數(shù)星星孩子”——中國天眼。

3月31日零時起，我國500米口徑球面射電望遠鏡開始接受全世界各國天文學(xué)家的觀測申請，在國際視界發(fā)出了豪邁的中國聲音。

作為人類迄今最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡，它能夠接收到100多億光年以外的電磁信號，是中國科技創(chuàng)新的又一標(biāo)桿。

這囗鍋不烹家常飯菜

500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）又被形象地稱作中國天眼，是按照衛(wèi)星鍋的原理建造的，換句話說，是超大型衛(wèi)星鍋。這口大鍋的主要功能是接受遙遠的外太空的電磁波信號，發(fā)現(xiàn)中子脈沖星。

脈沖星信號最早被認為是外星人向人類發(fā)出的信號，這一說法后來被科學(xué)家否定了。它其實是很久以前宇宙發(fā)生劇烈爆炸殘留的電磁波。電磁波歷經(jīng)幾億光年的漫漫旅途才來到地球，但與地球邂逅不到一秒鐘，又返回茫茫太空。脈沖星的發(fā)現(xiàn)有助于人類在太空中的定位和時鐘的準確度，天眼發(fā)現(xiàn)它的速度是其他天文望遠鏡的10倍。

天眼還可以發(fā)現(xiàn)一些早期的星系活動跡象，有利于我們發(fā)現(xiàn)行星、恒星的運行軌跡。

同時，天眼像雷達一樣有很強的監(jiān)測能力， 能夠捕捉到來自太陽系任何一個地方發(fā)射過來的微弱電磁波， 可幫助人類尋找類地行星。如果沒有天眼，我們現(xiàn)在的手機瀏覽速度會慢得讓人抓狂。

美國捷足先登

星際間振蕩的無線電波、拖拽著長長彗尾在星空流浪的彗星和太陽表層不斷翻滾的等離子體，一直都是天文學(xué)家關(guān)注研究的對象。

星空不是一片死寂，人類社會更是如此。各種電子設(shè)備、衛(wèi)星電視電臺散播的電波和無線電信號，其噪聲蓋過了遙遠恒星發(fā)出的微弱信號。建造一根巨大電線來捕捉天外之音，是美國阿雷西博射電望遠鏡最初的設(shè)想。

1963 年11 月1 日，這一設(shè)想得以實現(xiàn)，標(biāo)志著人類面向浩瀚的太空睜開了第一只天眼。

阿雷西博射電望遠鏡最引人注目的是它巨大的體積。它的反射盤是個直徑為305 米、深51 米、曲率半徑為265 米的半球形結(jié)構(gòu)物，通俗地說，就像一口架在爐灶上的巨鍋。表面由38 778 塊鋁板構(gòu)成，每塊約1X2 米，用鋼纜網(wǎng)（約1.6 平方米）支撐，總面積相當(dāng)于5 個足球場那么大。平臺上有條長93 米的旋轉(zhuǎn)弓形軌道，稱為方位臂，承載著接收天線以及2 級、3級反射器。

阿雷西博射電望遠鏡是固定望遠鏡，不能轉(zhuǎn)動，只能借助地球自轉(zhuǎn)改變天線饋源的位置，在地天40 度的范圍內(nèi)觀察天象。

在后來的服役中，阿雷西博射電望遠鏡經(jīng)歷了兩次升級，從而不僅能拍攝到金星表面約1 千米的清晰圖像，甚至可以在月球附近遙測到高爾夫球大小的物體。然而，就是其中的一次升級，輕率地將鏡面直徑從305 米擴大到350 米，為阿雷西博射電望遠鏡后來的解體留下了致命的隱患。

最奇異的是，阿雷西博射電望遠鏡名義上是為了深空科學(xué)研究，實際上一投入運行，就被用在了對前蘇聯(lián)的冷戰(zhàn)，譬如收集電子信號情報，包括從月球表面反彈回來的前蘇聯(lián)雷達信號。

美蘇冷戰(zhàn)結(jié)束后，阿雷西博射電望遠鏡才真正轉(zhuǎn)向民用科研，揭示地球電離層、太陽系及其外部世界新發(fā)現(xiàn)的細小行星，為射電天文學(xué)以及行星和太陽系研究（包括引力波）的重要發(fā)現(xiàn)提供支持。它還承擔(dān)著時刻提防殺手級小行星對地球的襲擊、探索外地文明的責(zé)任。

阿雷西博射電望遠鏡立下的赫赫功績也鐫刻在了人類發(fā)展史冊上：

皮滕吉爾用它確定了水星的自轉(zhuǎn)周期，改變了人類一直以來“水星自轉(zhuǎn)周期是88 天”的錯誤認知一一事實上，水星的自轉(zhuǎn)周期是58.646天;

洛夫萊克斯等人借助它發(fā)現(xiàn)了蟹狀脈沖星的周期性，為中子星的存在提供了第一個可靠的證據(jù);

霍斯和泰勒借助它發(fā)現(xiàn)了第一個軌道周期為7.75 小時的脈沖雙星系統(tǒng)，并精確測量了射電脈沖雙星軌道周期性變化，間接證明了引力波的存在，驗證了愛因斯坦的廣義相對論;

還通過頻率調(diào)制的無線電脈沖一次性向太空發(fā)射人類信息，信息歷經(jīng)2.5 萬光年抵達MM13球狀星團。

天邊有顆“南仁東星”

1993年的日本東京，正在召開的國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會上，多國科學(xué)家呼吁，在全球電波環(huán)境繼續(xù)惡化前必須建造新一代射電望遠鏡，接受更多來自太空的訊息。

當(dāng)時，中國最大的同類裝置口徑不過30米。

天眼到底是個多大的工程？用中國天眼饋源支撐系統(tǒng)高級工程師楊清閣的話說，它大到“漫山遍野”，但它又是一個極“細”的工程，600 多米尺度結(jié)構(gòu)，饋源接收機在天空中跟蹤反射面焦點的位置誤差不超過10 毫米。

曾在日本國立天文臺擔(dān)任客座教授、享受世界級別科研條件和待遇、時任北京天文臺副臺長的南仁東站了出來說，中國應(yīng)當(dāng)承擔(dān)這個責(zé)任，堅定地表示“我得回國”。

沒有多少人看好南仁東的這份雄心壯志。大家知道，這在當(dāng)時是世界獨一無二的尖端項目。

我國西南地區(qū)的大山里有建設(shè)天眼的極佳地理條件。眾多方圓數(shù)百米的小山谷被山體環(huán)繞，天然地阻擋了外面的電磁波。

從1994年到2005年，南仁東和他的團隊走遍了貴州大山里數(shù)百個窩凼。亂石密布的喀斯特山中沒有路，他們只能從石頭縫里的灌木叢深一腳淺一腳地挪過去。

一次，南仁東勘察窩凼時遭遇瓢潑大雨，雨水裏著泥沙形成泥石流順坡而下。南仁東見識過泥石流的歷害，連忙吞下一顆救心丸，連滾帶爬地回到埡口。

“大山?jīng)]有路，我們走的次數(shù)多了，便成了路。”中國天眼臺址與觀測基地系統(tǒng)總工程師朱博勤回憶，十幾年來，綜合尺度規(guī)模、電磁波環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、工程地環(huán)境等因素，南仁東團隊最終從391 個備選洼地中選中了條件最適宜的大窩凼。

對待科學(xué)研究，南仁東同樣無比嚴謹，天眼沒有哪個建設(shè)環(huán)節(jié)能忽悠得了他。工作伊始，要建一個水窖，施工方送來設(shè)計圖紙，他迅速標(biāo)出幾處錯誤后打了回去。施工方驚訝了，搞天文的咋還懂土建？

選址難，立項難，建設(shè)難上加難。南仁東和他的團隊解決了一個又一個難題， 而這些難題在全球幾乎沒有經(jīng)驗可以借鑒， 他們只能埋頭進行技術(shù)攻關(guān)。

在南仁東看來， 天眼建設(shè)不受經(jīng)濟利益驅(qū)使，而是源自人類的創(chuàng)造沖動和探索欲望。他一心想讓中國天眼早日建成， 因為天眼的英文名字“FAST”正是快的意思。

“南老師對自己的要求太高，他要吃透工程建設(shè)的每個環(huán)節(jié)。”南仁東的學(xué)生曾恒謙說，“如果再給老師一次機會，選擇要天眼還是多活10 年，他肯定還會選天眼。”

2016年9月25日，中國天眼建成。南仁東傾盡心血，鑄造了一個大國重器。

次年9月15日， 南仁東永遠地閉上了雙眼。

2018年10月15日， 中國科學(xué)院國家天文臺首次公布“南仁東星”國際命名公報，正式將國際永久編號第79 694 號小行星命名為“ 南仁東星”，以紀念他為國際天文事業(yè)和中國天眼作出的卓越貢獻。

2019年9月17日，經(jīng)國家主席習(xí)近平簽署命令，授予南仁東“人民科學(xué)家”國家榮譽稱號。

中國天眼一騎絕塵

中國天眼坐落在貴州黔南布依族苗族自治區(qū)平塘縣大窩凼的喀斯特洼坑中。這是一座擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、歷時22年、耗資6億元人民幣建成的世界迄今最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。

中國天眼是由46萬塊三角形單元拼接而成的球冠形主反射面，內(nèi)置可移動變位的復(fù)雜結(jié)構(gòu)索網(wǎng)系統(tǒng)。與被評為人類世紀10大工程之首的阿雷西博射電望遠鏡相比，其綜合性能提高了10倍，將在未來二三十年保持領(lǐng)先地位。

中國天眼反射面在導(dǎo)源和跟蹤過程中采用實時調(diào)整形態(tài)，在觀測方向形成300米口徑瞬間拋物面以匯聚電磁波，這是與阿雷西博射電望遠鏡固定反射面的根本區(qū)別。作為高精度天文儀器的重要組成系統(tǒng)，中國天眼反射面成型精度達到了毫米級。

下面這組數(shù)據(jù)，可以量化中國天眼的先進和雄偉：

500米——口徑500米，是目前世界上建成的最大口徑球面射電望遠鏡;

134米——從索網(wǎng)最高點到最低點的高差;

168米——修建了6座饋源塔，最高的有168米，6座塔均建在落差達百米的山崖上;

30個——球面面積相當(dāng)于30個足球場那么大;

1600米、4200噸——整個鋼結(jié)構(gòu)圈梁長度達1600米，消耗鋼材4200噸;

8893根、1300噸——反射面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)由8893根高強度、高精度鋼索連接而成，形成重達1300噸的索網(wǎng);

4400塊——4400塊主動反射單元拼裝在索網(wǎng)上，組成反射面;

2.5倍——比阿雷西博射電望遠鏡的反射面大2.5倍。

天眼的靈敏度可以用精準一詞來形容。權(quán)威數(shù)據(jù)表明，中國天眼的靈敏度比德國波恩100米望遠鏡和美國阿雷西博300米望遠鏡均高出至少10倍。具有這樣的靈敏度，如果有人在月球上打電話甚至竊竊私語，中國天眼也能聽得一清二楚。

自進入調(diào)試期，中國天眼的表現(xiàn)就足以讓世人折服。

一般情況下，傳統(tǒng)大型射電望遠鏡的調(diào)試周期不會短于4年，但中國天眼不僅大大縮短了調(diào)試周期，還取得了一批有價值的科學(xué)成果。截至2020年10月，中國天眼探測到146顆優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體（102顆得到認證），實現(xiàn)了目前國際最高精度的脈沖星觀測。找到了一例新的重復(fù)性快速射電暴，為利用脈沖星計時陣列探測低頻引力波提供了重要條件。同時，實現(xiàn)了偏振校準，利用新方法探測到了銀河系星際磁場。這一切充分證明，在探測脈沖星領(lǐng)域，中國天眼達到了國際一流水平。

地球“瞎”了一只眼

2020年12月1日7時55分，隨著一聲巨響，阿雷西博射電望遠鏡4號塔第2根鋼纜斷裂，820噸重的接受器平臺瞬間扯斷了幾乎所有連接它的固定線纜，墜落在反射盤上。釋放了支撐平臺的壓力后，幾座拉力塔也轟然倒下，無數(shù)碎片迸發(fā)開來，散布在坑洞上空。阿雷西博射電望遠鏡坍塌了……

事情發(fā)生后不久，相關(guān)部門和相關(guān)人士作出判斷：阿雷西博射電望遠鏡走到今天，并不出乎人們的意料。

由于財政狀況不佳，美國相關(guān)部門在早幾年前就縮減了在“行星雷達”上的開支，減少了對阿雷西博射電望遠鏡的財政支持。在2001年至2007年開支大幅減少的情況下，阿雷西博射電望遠鏡的天文經(jīng)費又從2007年的1050萬美元縮減到2011年的400萬美元。

屋漏偏逢連夜雨。阿雷西博射電望遠鏡不僅在千禧年后連遭財政打擊，環(huán)境災(zāi)害對它的傷害也是“怕啥來啥”。

2014年1月，一場6.4級地震損壞了阿雷西博射電望遠鏡的一根主電纜，已然為它6年后的命運埋下了伏筆。

2017年9月殺死了數(shù)百人的第4類風(fēng)暴瑪麗亞颶風(fēng)導(dǎo)致阿雷西博射電望遠鏡反射盤損壞——一條電纜在大風(fēng)中斷裂，隨之狠狠砸在下方的反射盤上。此后，又發(fā)生了兩起類似事故。

此外，阿雷西博射電望遠鏡的坍塌與其自身結(jié)構(gòu)有著必然的聯(lián)系。當(dāng)初為了擴大探測范圍，設(shè)計者將它的直徑從原本的305米硬生生地擴大到350米，直接導(dǎo)致了阿雷西博射電望遠鏡的不穩(wěn)定。

這些因素合力將英雄遲暮的阿雷西博射電望遠鏡送上了不歸路。地球曾經(jīng)擁有的兩只天眼中的一只就這樣“瞎”了。

當(dāng)今世界舍我其誰

從古至今，人類從未停止過對蒼穹的探索。正當(dāng)一些科學(xué)家為阿雷西博射電望遠鏡的猝然離去惶惶不安時，中國天眼于3月31日正式向全球開放，并在5月15日前向全世界征集觀測項目建議。

消息一傳出，就引起天文領(lǐng)域“最強大腦”們的密切關(guān)注。天體物理學(xué)家、2006年諾貝爾物理學(xué)獎得主斯穆特三世和1979年諾貝爾物理學(xué)獎得主謝爾頓分別對中國媒體表示，中國天眼是最大最靈敏的射電望遠鏡，相信它能超過阿雷西博射電望遠鏡，為世界天文學(xué)作出更大貢獻。

中國天眼向全球開放，讓謝爾頓很是興奮。在他眼里，這是天文學(xué)研究的福音。他說，人類有史以來最大的望遠鏡——平方公里陣列射電望遠鏡（SKA）預(yù)計在2028 年投入觀測。此前，中國天眼是世界射電天文學(xué)不可或缺的大科學(xué)裝置。據(jù)了解，我國是SKA 的主要成員國。未來，中國射電天文設(shè)備的布局是，自主研究與國際合作相結(jié)合，單口徑與涉陣列協(xié)同發(fā)展。

斯穆特三世認為，諾貝爾獎來自偉大的想法和發(fā)現(xiàn)。當(dāng)一個新的裝置投入使用，其觀測范圍遠遠超過以前所知曉的范圍時，很有可能發(fā)現(xiàn)一些新事物。他相信，全世界至少有一支優(yōu)秀團隊能通過中國天眼的觀測獲得重大成果，摘得諾貝爾獎。

世界將引領(lǐng)全球射電天文科研的重任交給了中國天眼，我們責(zé)無旁貸;歷史將重新站上人類天文科學(xué)之巔的重任交給了中國，我們將一往無前……