星辰大海，才是它的征途

在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣的大窩凼洼地里，中國“天眼”猶如一口銀白色的“鍋”，矗立在群山之間，陽光照射在鋁制面板上格外耀眼?！按箦仭彼闹軜淞⒅?座高塔，通過幾十米長的鋼索將頗似“宇宙飛船”的饋源艙吊在半空中。

中國“天眼”自2016年9月25日落成啟用以來，已發(fā)現(xiàn)279顆脈沖星，是同期國際上其他望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的兩倍多；多次捕捉到極罕見的快速射電暴爆發(fā)；參與揭示的一種快速射電暴起源機(jī)制入選2020年《自然》十大科學(xué)發(fā)現(xiàn)……“中國創(chuàng)造”擦亮深邃“天眼”，探求著宇宙奧秘。

大器晚成，問鼎射電望遠(yuǎn)鏡之巔

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。

中國曾是世界上天文記錄最久遠(yuǎn)、最完整的國家。在超過3 000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。

然而，近代以來，中國天文學(xué)跟其他科學(xué)技術(shù)一樣，大大落后于率先完成工業(yè)革命的西方國家，很多先進(jìn)的儀器見都沒見過。即便在20世紀(jì)，老一輩天文學(xué)家也只能尋求與國外合作，相當(dāng)于借用別人的望遠(yuǎn)鏡，大多只能做一些邊緣課題。

工欲善其事，必先利其器。

20世紀(jì)90年代，當(dāng)國際上還在為新一代大射電望遠(yuǎn)鏡怎么建、在哪里建爭(zhēng)論不休時(shí)，懷著回報(bào)祖國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，以他為首的中國科技工作者提出一個(gè)極富挑戰(zhàn)、近乎天馬行空的設(shè)想——建世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡，得到了國家支持。

“獨(dú)立自主建”“利用喀斯特地貌建”“技術(shù)不成熟就一邊研究一邊建”，南仁東等人明確了這三點(diǎn)后，連望遠(yuǎn)鏡要落戶的喀斯特洼坑在哪都不知道，就開始著手準(zhǔn)備了。

帶著幾百幅衛(wèi)星遙感圖，幾個(gè)人踏上漫漫尋址路。要給望遠(yuǎn)鏡找個(gè)最合適、節(jié)約成本的“家”，光看遙感圖不行，只能用雙腳“丈量”。經(jīng)過反復(fù)篩選，最終在貴州省平塘縣找到了大窩凼——最適合“天眼”的深深“眼窩”。

從1994年開始選址和預(yù)研究，到2016年9月25日“天眼”落成啟用，南仁東率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用20多年幫助中國實(shí)現(xiàn)了追趕。

“天眼”觀測(cè)的是來自遙遠(yuǎn)天體的微弱電磁信號(hào)，要求臺(tái)址電磁干擾水平極低，必須減少常規(guī)強(qiáng)干擾源，控制小功率干擾源，防止噪聲背景惡化，預(yù)防偶發(fā)干擾。為了讓望遠(yuǎn)鏡能“安靜”地仰望星空，方圓5千米核心區(qū)里數(shù)千名群眾搬離故土開啟新生活；平塘縣關(guān)閉了核心區(qū)內(nèi)及其附近的所有通信基站；羅甸縣擱置了機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目；黔南布依族苗族自治州境內(nèi)劃出了方圓近30千米的電磁波寧靜區(qū)……一系列舉措為“天眼”筑起一道道安全運(yùn)行防護(hù)網(wǎng)。

目光如炬，摘星于百億光年之外

可能有人會(huì)問，既然“天眼”2016年已落成啟用，為什么2020年1月11日才驗(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“天眼”三年多來一刻不停調(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。

靈敏度是“最硬的指標(biāo)”，基本被望遠(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。開創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡新模式，突破了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡工程極限，采用全新設(shè)計(jì)方案、口徑更大的“天眼”，比國外同類望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試期更短，遠(yuǎn)超國際慣例和同行預(yù)期。從下面的幾組數(shù)據(jù)，我們可以窺見“天眼”的身形：

大——反射面由4 450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。

“但這些設(shè)計(jì)、性能和精度不是理所當(dāng)然的。”科研人員指出，“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。

回憶當(dāng)初的“索網(wǎng)攻關(guān)”，科研人員記憶猶新：“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，國際上尚無先例?！?/p>

實(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。從最初以南仁東為代表的幾位科學(xué)家，發(fā)展到如今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。

借助“天眼”超高的靈敏度，國家天文臺(tái)已經(jīng)將從未被其他望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的脈沖星的計(jì)時(shí)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(cè)能力。

敢當(dāng)“夢(mèng)潮兒”的中國科學(xué)家希望，借助“天眼”進(jìn)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，將系統(tǒng)地拓展人類的宇宙視野。

人類只有一個(gè)天空，一個(gè)宇宙?；厮菰跤钪妫沂靖嘤钪鎶W秘，這是我國建造“天眼”的原動(dòng)力，也是終極目標(biāo)。

延伸閱讀中國“天眼”

中國“天眼”，全稱“500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（簡(jiǎn)稱FAST）”，是中國獨(dú)立自主設(shè)計(jì)并建造的世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡。這只“觀天巨眼”設(shè)計(jì)之初便擬定了一系列科學(xué)目標(biāo)，以推動(dòng)全球科學(xué)家在這些科學(xué)領(lǐng)域取得新的突破。

原本除了中國“天眼”之外，世界上還有另一座可與之比肩的大射電望遠(yuǎn)鏡——美國阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡，1962年便建成投入使用。迄今為止已經(jīng)幫助全世界科學(xué)家取得了一系列重大科學(xué)成果，包括一項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。不過令人惋惜的是，2020年12月1日，服務(wù)天文學(xué)長達(dá)58年的阿雷西博設(shè)備因老化發(fā)生坍塌，懸吊設(shè)備平臺(tái)砸穿望遠(yuǎn)鏡巨大反射面，最終退出歷史舞臺(tái)。如今，全球只剩下中國“天眼”一只“眼睛”了。

中國“天眼”的首要任務(wù)是進(jìn)行對(duì)脈沖星的發(fā)現(xiàn)。這些脈沖星有什么用呢？脈沖星是一種非常穩(wěn)定的宇宙“星點(diǎn)”，它能夠穩(wěn)定并且持續(xù)性地發(fā)出信號(hào)，而我們可以根據(jù)脈沖星的這個(gè)特點(diǎn)，建立宇宙導(dǎo)航系統(tǒng)，而宇宙導(dǎo)航系統(tǒng)是人類未來進(jìn)入太空的重要“突破口”。同時(shí)，中國“天眼”還有一個(gè)大家比較關(guān)心的任務(wù)，那就是進(jìn)行地外生命的搜尋，這是一個(gè)非常具有科學(xué)挑戰(zhàn)的任務(wù)。中國“天眼”能夠看穿137億光年，如果在這個(gè)區(qū)域內(nèi)有地外生命發(fā)出信號(hào)，那么它都能夠接收到。