《“中國(guó)天眼FAST”為什么fast?》,這是3月13日,國(guó)家天文臺(tái)微信公眾號(hào)推送的一篇文章,詳細(xì)介紹了“中國(guó)天眼”在工程建設(shè)、系統(tǒng)調(diào)試、測(cè)試成果等方面的驚人速度。
文章作者是原國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、FAST工程經(jīng)理部經(jīng)理嚴(yán)俊和國(guó)家天文臺(tái)天體物理在讀博士王珅。文章中說(shuō),FAST快在工程建設(shè)沒(méi)有延期一天,快在調(diào)試階段就開始系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新脈沖星,快在調(diào)試階段就已經(jīng)開始進(jìn)行科學(xué)研究開展巡天觀測(cè),快在計(jì)劃今年就通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收,轉(zhuǎn)入常規(guī)觀測(cè)與維護(hù),開放設(shè)施與數(shù)據(jù)。
截至目前,FAST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了80余顆脈沖星候選體。
●上百國(guó)際項(xiàng)目排隊(duì)申請(qǐng)合作
“中國(guó)天眼”位于黔南州平塘縣,正式名稱是500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡,比美國(guó)最大口徑、305米的阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡綜合性能提高約10倍。
我們?yōu)槭裁葱枰罂茖W(xué)裝置研究天文?嚴(yán)俊和王珅在文章中說(shuō),天文學(xué)的每一次重大突破都會(huì)在“不經(jīng)意間”對(duì)整個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科乃至人類文明的進(jìn)程帶來(lái)巨大推動(dòng),而大科學(xué)裝置帶來(lái)的科技進(jìn)步及影響很難用普通眼光來(lái)估計(jì)。
比如,對(duì)太陽(yáng)黑子爆發(fā)活動(dòng)的觀測(cè)預(yù)報(bào)關(guān)乎發(fā)電廠和電網(wǎng)設(shè)備的安全；對(duì)空間碎片的監(jiān)測(cè)預(yù)警關(guān)乎在軌衛(wèi)星的安全。“試想一下,如果沒(méi)有長(zhǎng)期細(xì)致的觀測(cè)記錄、精準(zhǔn)快速的計(jì)算模型,哪怕只是短暫發(fā)生的太陽(yáng)風(fēng)暴和極小的空間碎片,都會(huì)造成電網(wǎng)中斷、衛(wèi)星失靈,給國(guó)民的生產(chǎn)生活帶來(lái)不可估量的損失。”
有意思的是,它的英文名稱(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)首字母縮寫為FAST,和“快”的英文單詞fast正好巧合。
從建設(shè)來(lái)看,國(guó)家批準(zhǔn)FAST工程建設(shè)周期為5.5年,從2011年3月5日開工報(bào)告批復(fù)之日起,到2016年9月25日如期竣工,不多不少。而調(diào)試速度和試觀測(cè)成果的表現(xiàn),無(wú)疑是FAST又快又好的最好說(shuō)明。
從調(diào)試來(lái)看,通常大型望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試期一般超過(guò)4年。“美國(guó)綠岸GBT望遠(yuǎn)鏡(100米)花了6年,意大利SRT望遠(yuǎn)鏡(64米)超過(guò)5年,而中國(guó)天眼計(jì)劃的調(diào)試期只有3年。”
還在校準(zhǔn)過(guò)程中,中國(guó)天文學(xué)家就爭(zhēng)分奪秒展開科學(xué)觀測(cè)。望遠(yuǎn)鏡還不能移動(dòng),就采用漂移掃描的方式,讓地球自轉(zhuǎn)帶著“中國(guó)天眼”巡天。建成不到一年,就建立精確的跟蹤觀測(cè)模式,通過(guò)與其他望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了“中國(guó)天眼”的超高靈敏度和效率。
這歸功于國(guó)家天文臺(tái)脈沖星搜索團(tuán)隊(duì)的提前準(zhǔn)備。竣工前一年,團(tuán)隊(duì)就開始集中處理澳大利亞帕克斯(Parkes)望遠(yuǎn)鏡的公開數(shù)據(jù),對(duì)團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行相應(yīng)的觀測(cè)及數(shù)據(jù)處理訓(xùn)練,并開發(fā)創(chuàng)新搜索軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)開始調(diào)試時(shí),采用了三套流程同時(shí)處理數(shù)據(jù),并通過(guò)國(guó)際合作開展相關(guān)的后隨觀測(cè)?！ ?br />
調(diào)試核心組有七個(gè)專業(yè)小組和一個(gè)保障小組。部分設(shè)備的調(diào)試早在FAST完全建成之前就已經(jīng)開始了。在調(diào)試階段開始不久,2個(gè)關(guān)鍵調(diào)試就已經(jīng)順利完成。在“中國(guó)天眼”面板尚未安裝完畢時(shí),相應(yīng)的信號(hào)處理后端及模擬觀測(cè)也已在同步進(jìn)行中。這樣做的好處是可以提前訓(xùn)練觀測(cè)團(tuán)隊(duì),模擬觀測(cè)流程,檢驗(yàn)相應(yīng)的觀測(cè)程序,最終保證了“中國(guó)天眼”一建成就立即投入觀測(cè)。
2016年9月25日,“中國(guó)天眼”竣工,習(xí)近平總書記發(fā)來(lái)賀信,希望FAST“早出成果,多出成果,出好成果,出大成果”。目前,FAST發(fā)現(xiàn)的80余顆脈沖星候選體中,已經(jīng)確認(rèn)50余顆新脈沖星,包括數(shù)顆毫秒脈沖星。
中國(guó)科學(xué)家爭(zhēng)分奪秒,外國(guó)科學(xué)家也不甘落后。雖然FAST還沒(méi)有驗(yàn)收,多國(guó)天文科學(xué)家已排隊(duì)申請(qǐng)合作。文章透露,截至2月28日,“中國(guó)天眼”第一批觀測(cè)申請(qǐng)項(xiàng)目超過(guò)100個(gè),首席科學(xué)家來(lái)自21個(gè)研究單位。這個(gè)速度也是世界天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)備使用的奇跡!
●為什么調(diào)試時(shí)間沒(méi)有提前
關(guān)于調(diào)試時(shí)間,記者還有一個(gè)“獨(dú)家插曲”——2017年10月,在北京撰寫FAST項(xiàng)目的發(fā)起者、首席科學(xué)家、總工程師南仁東(已故)先進(jìn)事跡巡回報(bào)告時(shí),嚴(yán)俊向記者透露,調(diào)試工作預(yù)計(jì)將在2018年底通過(guò)驗(yàn)收。記者寫完稿件后給他發(fā)送電子郵件,待他確認(rèn)這個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn),但他沒(méi)有回復(fù)。后來(lái),記者再次遇到嚴(yán)俊,他坦承沒(méi)有看到:“郵件太多了,看不過(guò)來(lái)。”他還說(shuō):“團(tuán)隊(duì)的壓力已經(jīng)夠大了,最好不報(bào)道,能提前當(dāng)然更好,不能提前也可以,免得給團(tuán)隊(duì)壓力太大。”
的確,“中國(guó)天眼”的調(diào)試速度已經(jīng)夠快了。
從時(shí)間上來(lái)說(shuō),“中國(guó)天眼”的調(diào)試時(shí)間只有同類的40%至60%。但是,從難度上來(lái)說(shuō),“中國(guó)天眼”系統(tǒng)更為復(fù)雜。
傳統(tǒng)全可動(dòng)望遠(yuǎn)鏡最大口徑是100米,超過(guò)這一極限,望遠(yuǎn)鏡會(huì)因?yàn)樽灾睾惋L(fēng)荷載引起形變。而“中國(guó)天眼”的口徑是500米,兩者在口徑上不是一個(gè)量級(jí)。
從超級(jí)口徑來(lái)說(shuō),只有美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡能夠和“中國(guó)天眼”作比較,但是,前者的反射面是固定的,后者卻能像眼珠子一樣靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。原因在于,FAST的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以移動(dòng)變化,一會(huì)兒球面一會(huì)兒拋物面,能在射電源方向形成300米口徑瞬時(shí)拋物面,從而極大地提升觀測(cè)效率。
主動(dòng)反射面是中國(guó)天眼的重大創(chuàng)新。這項(xiàng)偉大的構(gòu)思是由天文科學(xué)家邱育海提出。1998年,邱育海在《天體物理學(xué)報(bào)》發(fā)表的一篇論文,闡述了具有主動(dòng)主反射面的巨型球面射電望遠(yuǎn)鏡的構(gòu)思?！?br />
FAST調(diào)試組組長(zhǎng)姜鵬說(shuō):“‘中國(guó)天眼’具有超高的靈敏度和大覆蓋天區(qū),它使中國(guó)制造的望遠(yuǎn)鏡在靈敏度指標(biāo)上,站在了世界制高點(diǎn)。”“中國(guó)天眼”單一的系統(tǒng)可以說(shuō)都是完美的,但放在一起還能正常工作是非常難的。對(duì)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行整體聯(lián)調(diào),除了重要的饋源艙,還包括反射面,以及整個(gè)“視網(wǎng)膜”和“瞳孔”的協(xié)同。它們有大量的運(yùn)動(dòng)部件和機(jī)械裝置,必須努力降低故障對(duì)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)性能的影響,保證它隨時(shí)想看就能看,想看什么就能看什么,還要盡量減少風(fēng)、雨、霧對(duì)它的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)的影響。
也就是說(shuō),“中國(guó)天眼”系統(tǒng)更復(fù)雜而調(diào)試難度更大,但調(diào)試速度卻更快,這也意味著,對(duì)歐美同行實(shí)現(xiàn)了雙重超越。
●后發(fā)趕超SKA
事實(shí)上,“中國(guó)天眼”的發(fā)起建設(shè),和SKA項(xiàng)目有關(guān)。
SKA是平方公里射電陣(Square KilometreArray)的縮寫。1991年,國(guó)際天文學(xué)家在日本東京召開的一次會(huì)議上提出,要在人類活動(dòng)制造的電磁波污染太空之前,搶先建設(shè)大型射電望遠(yuǎn)鏡。這才有了SKA的初步設(shè)想——由2500面15米口徑的碟型天線及超過(guò)100萬(wàn)個(gè)低頻天線等單元組成,分布在3000公里的范圍內(nèi)。
南仁東獲悉后,提出中國(guó)也要建設(shè)自己的大射電望遠(yuǎn)鏡。
也就是說(shuō),FAST和SKA同時(shí)動(dòng)議,區(qū)別在于,SKA是世界最大的在建綜合孔徑射電望遠(yuǎn)鏡,FAST是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。
2004年,FAST完成選址,而SKA一直到2012年才完成選址論證,并在南非和澳大利亞各有優(yōu)勢(shì)的情況下作出雙臺(tái)址的決策。
有意思的是,就在嚴(yán)俊感慨“‘中國(guó)天眼FAST’為什么fast”的前一天,進(jìn)展緩慢的SKA項(xiàng)目發(fā)布了最新消息。
3月12日,中國(guó)、澳大利亞、意大利、荷蘭、葡萄牙、南非、英國(guó)七個(gè)創(chuàng)始成員國(guó)在意大利羅馬正式簽署SKA天文臺(tái)公約,這被視為SKA一個(gè)重要里程碑。
根據(jù)該公約,SKA將分階段建設(shè),第一階段預(yù)計(jì)2020年底開工,2027年左右完工；剩余望遠(yuǎn)鏡單元將在第二階段建設(shè),2030年后全部建成。
事實(shí)上,SKA動(dòng)工建設(shè)的時(shí)間已經(jīng)推遲好幾次了。假如這一次的消息是確鑿的,SKA從動(dòng)議到最終建成將耗時(shí)40年,而FAST總耗時(shí)為26年。從建設(shè)時(shí)間來(lái)說(shuō),SKA首期7年,第二期10年,合計(jì)17年；而FAST建設(shè)時(shí)間為5.5年。
盡管FAST比SKA快得多,但中國(guó)并不是SKA的旁觀者,相反,SKA和中國(guó)有密切的關(guān)系。這是繼國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)之后,中國(guó)參加的第二大國(guó)際大科學(xué)工程。更重要的是,這還是中國(guó)參加的首個(gè)從項(xiàng)目醞釀、建設(shè)、管理均全程參與并扮演重要角色的國(guó)際大科學(xué)工程。
據(jù)悉,SKA預(yù)算20多億美元,反射面總面積高達(dá)100萬(wàn)平方米,是FAST的4倍。兩者的工程地理環(huán)境和地質(zhì)條件也不同,直接對(duì)比不夠科學(xué)。但是,時(shí)間上的進(jìn)度對(duì)比足以說(shuō)明,FAST之所以后來(lái)居上,和中國(guó)科學(xué)家、貴州人民主動(dòng)作為的強(qiáng)烈意識(shí)以及后發(fā)趕超的精神是分不開的。
毫無(wú)疑問(wèn),“中國(guó)天眼”讓中國(guó)天文學(xué)研究實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。從1933年央斯基(Jansky)研究射電輻射起,86年來(lái),產(chǎn)生了6項(xiàng)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)。而中國(guó),直到1990年,最大的射電望遠(yuǎn)鏡口徑才25米。所以,FAST的名稱,也包含著中國(guó)天文學(xué)家追趕世界射電研究前沿的急迫心情:快一點(diǎn)!再快一點(diǎn)!
這種只爭(zhēng)朝夕的心情也是貴州人的心情。貴州省和黔南州總結(jié)提出了“追趕、領(lǐng)先、跨越”的FAST精神。這也是中央和國(guó)務(wù)院對(duì)貴州的希望。2012年國(guó)發(fā)2號(hào)文件明確指出,“進(jìn)一步促進(jìn)貴州經(jīng)濟(jì)社會(huì)又好又快發(fā)展,是加快脫貧致富步伐,實(shí)現(xiàn)全面建設(shè)小康社會(huì)目標(biāo)的必然要求。”
值得貴州驕傲的是,“中國(guó)天眼”完美地演繹了這種趕超精神。
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