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中国天眼,仰望苍穹
2021-07-05 17:07
  重器铸梦,科学探索永无止境
  “天眼”巡空、“复兴”开跑、“中子”探秘、“天问”探测......从基础研究,到原始创新,再到高端产业,一批“国之重器”纷纷亮相,纵观这些重器,没有一蹴而就的成功,是我国一代又一代科技工作者薪火相传,勇攀高峰,为科技事业发展贡献了智慧和力量,才得以让一项项令世界瞩目的重大工程项目在中华大地上屹立,也在党的百年发展历程中写下浓墨重彩的一笔。
  然而科学探索永无止境,未来科技创新的旋律依旧激昂澎湃。今年,是中国共产党建党100周年,也是“十四五”开局之年。站在新的历史起点上,我国将继续着力加强基础研究和关键核心技术。近日,国务院常务会议更是部署推进实施“十四五”规划《纲要》确定的重大工程项目。会议指出,要将“十四五”规划重大工程落实到具体项目,优先纳入各领域规划,科学制定实施方案,分年有序推进,形成开工一批、投产一批、储备一批的良性循环。

  中国战略新兴产业融媒体记者    卜文娟

  500米口径球面射电望远镜是我国拥有自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,打破了世界上射电望远镜的百米极限,开创了巨型射电望远镜建设的新模式,将为人类发现脉冲星、巡视中性、探索暗物质和黑洞、研究宇宙起源和地外文明等提供独一无二的手段。
  这是一幅令人难忘的画面。贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼,群山环绕中,有“中国天眼”之称的500米口径球面射电望远镜静静矗立。历经10多年立项,5年建设,到如今产出丰硕的科研成果,“中国天眼”的征程才刚刚开始。
  500米口径球面射电望远镜是由国家发展改革委批复建设的国家重大科技基础设施。该设施是我国拥有自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜,打破了世界上射电望远镜的百米极限,开创了巨型射电望远镜建设的新模式,将为人类发现脉冲星、巡视中性氫、探索暗物质和黑洞、研究宇宙起源和地外文明等提供独一无二的手段。
  时间回到1993年,在日本东京举行的国际无线电科学联盟大会上,与会科学家提出要在全球电波环境恶化到“不可收拾”之前,建造新一代射电“大望远镜”。以时任中国科学院北京天文台副台长南仁东为首的中国天文学家,会上提出一个大胆的方案——在中国境内建造大型单口径射电望远镜。
  25米与350米,这是此前中国与美国拥有的射电望远镜口径的差距,而口径大小直接决定眼力所及。“要在中国的土地上,建造世界上最大的射电望远镜,以免让中国在宇宙探索中受制于人。”这是南仁东等老一辈天文学家提出建设“中国天眼”的构想。
  从1993年提出建设FAST的构想,到2016年9月25日FAST正式落成启用,南仁东把一生的心血和精力都投入在这件“中国天眼”上。1994年7月,FAST工程概念正式提出。在这一背景下,原北京天文台提出了利用中国西南部的喀斯特地貌建造阿雷西博型LT的中国方案,最初起名为KARST。从1994年到2006年,南仁东带领团队从8000多幅地图中选出300多个洼坑,再进一步将范围缩小至几十个。他们几乎走遍这些洼地,最终,将台址定在贵州平塘县克度镇的大窝凼洼地。
  而FAST的全新设计理念开创了建造巨型望远镜的新模式,突破了传统望远镜的百米工程极限,同时也带来了极大的技术挑战。根据设计,FAST巨大的反射面要能根据天体的目标位置实时地主动调节形状,30吨的馈源舱要在140米的高空、206米的范围内运动,所有的控制精度要达到毫米级。
  “中国天眼”设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜,这首先体现在“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”指反射面;“瞳孔”指馈源舱,即放置接收宇宙外信号装置系统的舱体。
  作为世界首创,“中国天眼”的“视网膜”是主动反射面,可以改变形状,一会儿是球面,一会儿是抛物面。具体来说,这张庞大的可动的“视网膜”是一张由6670根钢索编制的索网,挂在一个由50根巨大钢柱支撑的直径500米的圈梁上;索网上铺有4450块、380多种反射面单元;索网下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面的作动器上,通过操纵作动器,拉动下拉索来改变索网形状,从而对天文信号进行收集和观测。
  “中国天眼”的“瞳孔”即馈源舱,也是一个大胆的突破性设计。大多数传统射电望远镜的“瞳孔”位置是固定的,或仅可以微调。“中国天眼”则完全不同,采用的是全新的轻型索驱动控制系统,这让“中国天眼”的“瞳孔”可以自如改变角度和位置,更有效地收集、跟踪、监测更丰富的宇宙电磁波。
  从体量来说,原世界第一大射电望远镜的馈源舱重1000多吨,“中国天眼”馈源舱重仅约30吨。体积小带来多方面的优势,比如可有效减少光路遮挡、减少干扰信号,从而让波束非常干净,更有利于天文观测。
  2017年10月10日,北四环外,国家天文台。当距离地球1.6万光年外和4100光年外的脉冲信号在现场响起,在座的嘉宾无一不屏气凝神,侧耳倾听。这是“中国天眼”首次发现脉冲星。
  所谓脉冲星,是指大质量恒星死亡后的残骸,是宇宙中密度最高、磁场最强、自转最快、相对论效应显著的一类迷人而又奇异的天体,被视为研究宇宙极端环境中物理规律的理想实验室。脉冲星的发现和研究也是国际上大射电望远镜关键科学目标之一。
  被给予厚望的“中国天眼”不负所托,距离第一次公开“亮相”不到4年时间,已发现脉冲星300多颗。
  “得益于‘中国天眼’超高灵敏度,我们已经将脉冲星的测时精度提升至少一个数量级,这有望使人类首次具备纳赫兹引力波的探测能力。可以说,我们已经走在‘出大成果’的攀登之路上。”中国科学院院士、国家天文台台长常进说。
  从4月1日起,全球科学家可以通过在线方式向国家天文台提交观测申请,并于8月起分配观测时间。在美国阿雷西博望远镜结束57年天文生涯后,中国将“中国天眼”面向全球科学界开放,把它拓展出的观察宇宙的视野分享给全世界。这也意味着全球科学家将打破疆域的限制,在同一片天空下仰望苍穹、探索未知,为人类共同的前途与命运而努力。
  据了解,“中国天眼”还向全球工程界贡献了大科学工程的中国经验和创新实践:4450个反射单元构成的反射面;6根钢索控制的30吨馈源舱;500米的尺度上测量角度精确到8角秒;超高耐疲劳钢索在200万次循环加载条件下可达500MPa应力幅,国际上尚无先例。
  “天眼”非凡,凝聚着中国人的智慧和汗水,更体现着中国的决心和魄力。多位天文学家指出,除了天文学观测以及建造望远镜带动的技术创新,“中国天眼”将成为最精确的物理规律验证实验平台。
  “中国天眼”,世界共享。它从一诞生,就肩负全球使命,向着茫茫宇宙“进军”,如今“一黑两暗三起源”等重大科学问题,即黑洞、暗物质、暗能量、宇宙起源、天体起源和生命起源问题,已成为天文物理学界的研究热点,而这些关乎人类命运的终极之问,其解答离不开先进天文观测设备的支撑。
  在未来,我们会通过“中国天眼”看见更多来自宇宙的惊喜。
  END
  来源:本刊原创文章
  编辑:赵涵
  审核:艾丽
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