中國(guó)天眼建設(shè)過程案例

中國(guó)天眼建設(shè)過程案例眼力決定眼界。1月11日，當(dāng)被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡通過國(guó)家驗(yàn)收正式開放運(yùn)行，成為全球最大且最靈敏的射電望遠(yuǎn)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(guó)天眼”首次發(fā)現(xiàn)2顆脈沖星，到11日召開的國(guó)家驗(yàn)收會(huì)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(gè)脈沖星搜索團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)數(shù)量的總和。大器晚成，問鼎射電望遠(yuǎn)鏡之“中國(guó)天眼”的靈敏度達(dá)到世界第二大射電望遠(yuǎn)鏡的2.5倍以上，可有效探索的空間范圍體積擴(kuò)大4倍，使科學(xué)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(yàn)收會(huì)上，中科院院士武向平等6位專家分別宣讀工藝驗(yàn)收、電波環(huán)境保護(hù)等驗(yàn)收意見，國(guó)家發(fā)改委高技術(shù)司副司長(zhǎng)沈竹林宣布“中國(guó)天眼”各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)，主要性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，具備了開放運(yùn)行條件。國(guó)家天文臺(tái)研究員、“中國(guó)天眼”總工程師姜鵬認(rèn)為，通過國(guó)家驗(yàn)收意味著“中國(guó)天眼”完成了工程師和科學(xué)家之間的交接棒，“火力全開”投入科學(xué)觀測(cè)，接下來兩三年內(nèi)將有一系列重要科學(xué)產(chǎn)出，同時(shí)進(jìn)一步穩(wěn)定望遠(yuǎn)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(shí)上千個(gè)液壓促動(dòng)器一齊低吼，幾乎不會(huì)動(dòng)。它又迅若奔雷，每秒最高傳輸基帶數(shù)據(jù)38G,每小時(shí)接收的平均有效科學(xué)數(shù)據(jù)約3.6T。從宇宙星辰，到基本粒子，人類的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新越來越離不開強(qiáng)大的科研儀器，特別是大科學(xué)裝置，與創(chuàng)新思維共同構(gòu)成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突破的必要條件。中科院院士、天體物理學(xué)家方成認(rèn)為，中國(guó)曾是世界上天文記錄最久遠(yuǎn)、最完整的國(guó)家。在超過3000年的時(shí)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(guó)古代天文學(xué)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(guó)天文學(xué)跟其他科學(xué)技術(shù)一樣，大大落后于率先完成工業(yè)革命的西方國(guó)家，很多先進(jìn)的儀器見都沒見過?！眹?guó)家天文臺(tái)研究員韓金林說，即便在上世紀(jì)，老一輩天文學(xué)家也只能尋求與國(guó)外合作，相當(dāng)于借用別人的望遠(yuǎn)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(guó)第一代、第二代天文學(xué)家，努力縮小中國(guó)與世界先進(jìn)水平的差距，擔(dān)起“趕潮兒”的責(zé)任。1993年，包括中國(guó)在內(nèi)的10個(gè)國(guó)家的天文學(xué)家，提出建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”的倡議，渴望回溯原初宇宙，解答天文學(xué)難題。當(dāng)時(shí)，懷著回報(bào)民族的赤誠(chéng)和描繪宇宙的初心，活躍在國(guó)際天文界的南仁東毅然回國(guó)，力主中國(guó)獨(dú)立建造射電“大望遠(yuǎn)鏡”。從1994年開始選址和預(yù)研究，到2016年9月25日“中國(guó)天眼”落成啟用，南仁東率團(tuán)隊(duì)用20多年幫助中國(guó)實(shí)現(xiàn)了追趕——建成了世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡。目光如炬，摘星于百億光年之外可能有人會(huì)問，既然“中國(guó)天眼”3年前落成啟用了，為什么今天才驗(yàn)收呢？實(shí)際上，要實(shí)現(xiàn)科學(xué)家的各種觀測(cè)意圖，達(dá)成穩(wěn)定可靠的靈敏度，對(duì)望遠(yuǎn)鏡來說并非易事。從世界最大到世界最靈敏，正是“中國(guó)天眼”3年來一刻不停調(diào)試和試觀測(cè)的目標(biāo)和成果。它的觀測(cè)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(yuǎn)鏡的兩大核心指標(biāo)。由于星體距離地球十分遙遠(yuǎn)，到達(dá)地球時(shí)能量微弱，靈敏度是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗弱天體的能力，而要想進(jìn)一步看清遙遠(yuǎn)天體的真實(shí)面貌，就要依靠分辨率?！办`敏度是最‘硬'的指標(biāo)，基本由望遠(yuǎn)鏡的口徑限定死了。相比之下，分辨率則可以通過多臺(tái)相對(duì)小的望遠(yuǎn)鏡協(xié)同配合來提高。”國(guó)家天文臺(tái)副研究員錢磊介紹?！伴_創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式，突破了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的工程極限，采用全新設(shè)計(jì)方案、口徑更大的‘中國(guó)天眼'，比國(guó)外同類望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試期更短，遠(yuǎn)超國(guó)際慣例和同行預(yù)期?！苯i說。從下面的幾組數(shù)據(jù)，我們可以窺見“中國(guó)天眼”的身形：大——反射面由4450個(gè)反射單元構(gòu)成，總面積為25萬平方米，相當(dāng)于30個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)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(gè)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(shí)時(shí)定位。強(qiáng)——能看見更遙遠(yuǎn)暗弱的天體，它1分鐘就能發(fā)現(xiàn)的星體，即使把坐標(biāo)提供給百米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，對(duì)方也要9分鐘才能看見。精——500米的尺度上測(cè)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?！暗@些設(shè)計(jì)、性能和精度不是理所當(dāng)然的?！苯i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(shí)現(xiàn)反射面變形，對(duì)抗疲勞性能的要求極高，現(xiàn)成的鋼索實(shí)驗(yàn)中都斷了。如果這個(gè)材料和工藝層面的問題不解決，整個(gè)項(xiàng)目就要停滯?；貞?0年前的“索網(wǎng)攻關(guān)”，姜鵬記憶猶新：“我們進(jìn)行了可能是有史以來最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗(yàn)，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(dá)500MPa應(yīng)力幅，國(guó)際上尚無先例?！睂?shí)際上，整個(gè)團(tuán)隊(duì)各個(gè)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(xué)家，發(fā)展到今天100人左右、平均年齡35歲、能獨(dú)立自主設(shè)計(jì)建造大型射電望遠(yuǎn)鏡和同類天線的隊(duì)伍，前后4代科研工作者前赴后繼、扎根深山，不負(fù)當(dāng)代天文學(xué)“弄潮兒”。一眼當(dāng)先，大裝置牽引科技創(chuàng)新科學(xué)技術(shù)進(jìn)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(duì)物理學(xué)、天文學(xué)來說，似乎還在啃量子力學(xué)和相對(duì)論的老本。重大突破，科研儀器先行。北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所研究員李柯伽認(rèn)為，天文學(xué)乃至物理學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，前人的理論研究走在了前面，后人的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是關(guān)鍵，這就必須用到大科學(xué)裝置?！疤幵诎l(fā)展上升階段的學(xué)科，誰在提出問題，誰就掌握發(fā)展動(dòng)向，如果沒有大裝置做實(shí)驗(yàn)，就提不出問題，只能跟在別人后面解決問題?！崩羁沦ふf，邊界尚未知曉的天文學(xué)，無疑是發(fā)展中的學(xué)科。“天天摸著望遠(yuǎn)鏡做觀測(cè)的人，才能發(fā)現(xiàn)前沿的問題。”韓金林說，過去中國(guó)缺少大望遠(yuǎn)鏡設(shè)備，天文學(xué)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(cè)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(guó)家驗(yàn)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(xiàng)，其中發(fā)明專利39項(xiàng)，實(shí)用新型專利30項(xiàng)；發(fā)現(xiàn)脈沖星優(yōu)質(zhì)候選體146顆，已證實(shí)發(fā)現(xiàn)的脈沖星102顆。與上海天文臺(tái)天馬望遠(yuǎn)鏡成功實(shí)現(xiàn)聯(lián)合觀測(cè)，在國(guó)際甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量中發(fā)揮重要作用；據(jù)國(guó)家天文臺(tái)原臺(tái)長(zhǎng)、“中國(guó)天眼”工程經(jīng)理嚴(yán)俊介紹，在建設(shè)階段，“中國(guó)天眼”獲得了鋼結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)、機(jī)械工業(yè)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)繪地理信息技術(shù)、電磁兼容研發(fā)、建設(shè)工程等10余個(gè)領(lǐng)域的國(guó)家大獎(jiǎng)。目前，“中國(guó)天眼”已成立科學(xué)委員會(huì)和時(shí)間分配委員會(huì)，將統(tǒng)籌望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃、凝練科學(xué)方向、項(xiàng)目遴選、數(shù)據(jù)公開等工作，更好地發(fā)揮其科學(xué)效能，促進(jìn)重大科學(xué)成果產(chǎn)出。將來圍繞“中國(guó)天眼”建設(shè)的引力波探測(cè)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(dòng)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(rèn)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(dāng)于“一瓶可樂中的一滴水”。多位天文學(xué)家都認(rèn)為，至少在分米波波段射電天文學(xué)、脈沖星觀測(cè)研究領(lǐng)域，“中國(guó)天眼”很快就能世界領(lǐng)先。除了天文學(xué)觀測(cè)以及建造望遠(yuǎn)鏡帶動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)新，它還將成為最精確的物理規(guī)律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、伯克利大學(xué)射電實(shí)驗(yàn)室主任卡爾?海爾斯教授認(rèn)為，“中國(guó)天眼”比美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡更加靈敏，覆蓋更大天區(qū)，且擁有19波束的接收機(jī)，在脈沖星搜尋、觀測(cè)星際云等天文學(xué)領(lǐng)域擁有革命的機(jī)遇。韓金林認(rèn)為，“中國(guó)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(kù)規(guī)模拓展50%，才算小有成就。在調(diào)試期間，“中國(guó)天眼”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了從未被其他望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的脈沖星現(xiàn)象。國(guó)家天文臺(tái)研究員李菂領(lǐng)銜的一個(gè)脈沖星研究結(jié)果，對(duì)經(jīng)典的“旋轉(zhuǎn)木馬”輻射模型提出了挑戰(zhàn)。再如費(fèi)米高能射電源，美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡搜索未果，而“中國(guó)天眼”一次探測(cè)成功。姜鵬說，借助“中國(guó)天眼”超高的靈敏度，國(guó)家天文臺(tái)已經(jīng)將脈沖星的計(jì)時(shí)精度提升至世