“中国天眼”为何后来居上

 

国家天文台微信公众号于 3 月 13 日推送了一篇文章《" 中国天眼 FAST" 为什么 fast?》,作者是原国家天文台台长、FAST 工程经理部经理严俊和国家天文台天体物理在读博士王珅,文章介绍了 " 中国天眼 " 在工程建设、系统调适、测试成果等方面的惊人速度。

文章说,FAST 快在工程建设没有延期一天!FAST 快在调试阶段就已经开始进行科学研究,开展巡天观测!FAST 快在调试阶段就开始系统发现新脉冲星,目前已经发现了 80 余颗脉冲星候选体!FAST 快在预期在今年通过国家验收,转入常规观测与维护,开放设施与数据。

上百国际项目

排队申请合作

" 中国天眼 " 坐落在贵州省黔南州平塘县,它的正式名称是 500 米口径球面射电望远镜,比美国 305 米最大口径射电望远镜阿雷西博综合性能提高约 10 倍。

我们为什么需要大科学装置研究天文?严俊在文章中说,天文学的每一次重大突破都会在 " 不经意间 " 对整个基础学科乃至人类文明的进程带来巨大震撼和推动,而大科学装置带来的科技进步及影响很难用普通眼光来估计。

比如,对太阳黑子爆发活动的观测预报关乎发电厂和电网设备的安全;空间碎片的监测预警关乎在轨卫星的安全,进而影响国民的通讯和出行导航。" 试想一下,如果没有长期细致的观测记录,精准快速的计算模型,哪怕只是短暂发生的太阳风暴和极小的空间碎片,都会造成电网中断、卫星失灵,给国民的生产生活带来不可估量的损失。"

有意思的是,它的英文名称(Five-hundred-meterApertureSphericalradioTelescope)首字母缩写为 FAST,和 " 快 " 的英文单词 fast 正好巧合。

从建设来说,国家批准 FAST 工程建设周期为 5.5 年,从 2011 年 3 月 5 日开工报告批复之日起,到 2016 年 9 月 25 日如期竣工,不多不少。

而调试速度和试观测成果的表现,无疑是 FAST 又快又好的最好说明。

从调试来说,通常大型望远镜的调试期一般超过 4 年。" 美国绿岸 GBT 望远镜(100 米)花了 6 年,意大利 SRT 望远镜(64 米)超过 5 年,而 " 中国天眼 " 计划的调试期只有 3 年。"

在不断校准的过程中,中国天文学家们争分夺秒进行科学观测,望远镜还不能移动,就采用漂移扫描的方式,让地球自转带着 " 中国天眼 " 巡天。建成不到一年,就实现精确的跟踪观测模式,通过和其他望远镜的观测结果对比,验证了 " 中国天眼 " 的超高灵敏度和望远镜效率。

这归功于国家天文台脉冲星搜索团队提前准备。望远镜竣工前一年,团队就开始集中处理澳大利亚帕克斯(Parkes)望远镜的公开数据,对团队成员进行相应的观测及数据处理训练,开发创新搜索软件和数据库。当 " 中国天眼 " 开始调试时,采用三套流程同时处理数据,并通过国际合作开展相关的后随观测。

调试核心组包括七个专业小组和一个保障小组。部分设备的调试早在 FAST 完全建成之前就已经开始了,在调试阶段开始不久,2 个关键调试就已经顺利完成。在 " 中国天眼 " 面板尚未安装完毕时,相应的信号处理后端及模拟观测也已经在同步进行中了。这样做的好处是可以提前训练了观测团队,模拟了观测流程,检验了相应的观测程序,最终保证了 " 中国天眼 " 一建成就马上可以开始观测。

2016 年 9 月 25 日,在 " 中国天眼 " 竣工仪式上,习近平总书记发来的贺信提出,希望 FAST" 早出成果,多出成果,出好成果,出大成果 "。目前,FAST 发现的 80 余颗脉冲星候选体中,已经确认 50 余颗新脉冲星,包括数颗毫秒脉冲星。

中国科学家争分夺秒,外国科学家也不甘落后。虽然 FAST 还没有验收,各国天文科学家已经纷纷排队申请合作。文章透露,截至 2 月 28 日," 中国天眼 " 第一批观测申请超过 100 个项目,首席科学家来自 21 个研究单位。这个速度简直是世界天文望远镜设备使用的奇迹!

独家插曲

为什么调试时间没有提前

关于调试时间,本报记者还有一个独家插曲。2017 年 10 月,记者在北京撰写 FAST 项目的发起者、首席科学家、总工程师南仁东(已故)先进事迹巡回报告时,严俊透露,预计调试工作将于 2018 年底结束通过验收。记者写完稿件后发送电子邮件等待他确认,但是没有回复。

后来,记者再次遇到严俊,他坦承没有看邮件," 邮件太多了,看不过来。" 同时,他解释说,团队的压力已经够大了,最好不报道,能提前当然更好,不能提前也可以,免得给团队压力太大。

的确," 中国天眼 " 的调试速度已经够快了。

如何理解这个调试速度?从时间上来说," 中国天眼 " 的调试时间只有同行的 40-60%。但是,从难度上来说," 中国天眼 " 系统更为复杂。

传统全可动望远镜最大口径是 100 米,超过这一极限,望远镜会因为自重和风荷载引起形变。而 " 中国天眼 " 的口径是 500 米,两者在口径上不是一个量级。

从超级口径来说,只有美国阿雷西博望远镜能够和 " 中国天眼 " 作比较,但是,前者的反射面是固定的,后者却能像眼珠子一样灵活转动。原因在于,FAST 的索网结构可以移动变化,一会儿球面一会儿抛物面,能在射电源方向形成 300 米口径瞬时抛物面,从而极大地提升观测效率。

主动反射面是中国天眼的重大创新,这项伟大的构思由天文科学家邱育海提出。1998 年,邱育海《天体物理学报》发表论文,阐述了具有主动主反射面的巨型球面射电望远镜的构思。

FAST 调试组组长姜鹏说," 中国天眼 " 具有超高的灵敏度和大覆盖天区,它使中国制造的望远镜在灵敏度这个技术指标上,站在世界制高点。" 中国天眼 " 单一的系统可能都是完美的,但放在一起就不一定了,让它能正常工作仍是非常难的。对整个望远镜进行整体联调,不光馈源舱,还包括反射面,包括整个 " 视网膜 " 和 " 瞳孔 " 的协同。它有大量的运动部件和机械装置,必须努力降低望远镜故障对望远镜观测性能的影响,保证它随时想看就能看,想看什么就能看什么,还要尽量减少风、雨、雾对它的观测时长的影响。

也就是说," 中国天眼 " 系统更复杂而调试难度更大,但调试速度依然更快,这就意味着,对欧美同行实现了双重超越。

中国骄傲

如何后发赶超 SKA

事实上," 中国天眼 " 的发起,和 SKA 项目有关。

SKA 是平方公里射电阵(SquareKilometreArray ) 的缩写,这是一个巨型射电望远镜阵列,由数千个较小的碟形天线构成。

1991 年,国际天文学家在日本东京召开会议提出,要在人类活动制造的电磁波污染太空之前,抢先建设大型射电望远镜。这就有了 SKA 的初步设想,由 2500 面 15 米口径的碟型天线及超过 100 万个低频天线等单元组成,分布在 3000 公里的范围内。

南仁东获悉后,提出中国也要建设自己的大射电望远镜。

也就是说,FAST 和 SKA 同时动议,区别在于,SKA 是世界最大的在建综合孔径射电望远镜,FAST 是世界上最大的单口径射电望远镜。

2004 年,FAST 完成选址;而 SKA 一直到 2012 年才完成选址论证,并在南非和澳大利亚各有优势的情况下作出双台址的决策。

有意思的是,就在严俊感慨 " ‘中国天眼 FAST ’为什么 fast" 的前一天,进展缓慢的 SKA 项目发布了最新消息。

3 月 12 日,中国、澳大利亚、意大利、荷兰、葡萄牙、南非、英国等七个创始成员国 12 日在意大利罗马正式签署 SKA 天文台公约,这被视为 SKA 一个重要里程碑。

罗马传来的消息说,SKA 将分阶段建设,第一阶段预计 2020 年底开工,2027 年左右完工;剩余望远镜单元将在第二阶段建设,2030 年后全部建成。

事实上,关于 SKA 动工建设的消息已经推迟过好几次了。假如这一次的消息是确凿的,SKA 从动议到最终建成将耗时 40 年,而 FAST 总耗时为 26 年。从建设时间来说,SKA 首期 7 年,第二期 10 年,合计 17 年;而 FAST 建设时间为 5.5 年。

尽管 FAST 比 SKA 快得多,但中国并不是 SKA 的旁观者,相反,SKA 和中国有密切的关系。这是继国际热核聚变实验之后,中国参加的第二大国际大科学工程,更重要的是,这是中国参加的首个从项目酝酿、建设、管理均全程参与并扮演重要角色的国际大科学工程。

当然,SKA 预算 20 多亿美元,它的反射面总面积高达 100 万平方米,是 FAST 的 4 倍。两者的工程地理环境和地质条件也不同,直接对比也许不够科学。但是,不言而喻的是,时间上的进度对比足以说明,FAST 之所以后来居上,和中国科学家、贵州人民主动作为的强烈意识以及后发赶超的精神是分不开的。

毫无疑问," 中国天眼 " 让中国天文学研究实现了跨越式的发展。从 1933 年央斯基(Jansky)研究射电辐射起,86 年来,产生 6 项相关的诺贝尔奖。而中国,直到 1990 年,最大的射电望远镜口径才 25 米!所以,FAST 的名称,包含着中国天文学家追赶世界射电研究前沿的急迫心情,快一点!再快一点!

这种只争朝夕的心情也是贵州人的心情。所以,贵州省和黔南州总结提出了 " 追赶、领先、跨越 " 的 FAST 精神。这也是中央和国务院对贵州的希望,2012 年国发 2 号文件就明确指出," 进一步促进贵州经济社会又好又快发展,是加快脱贫致富步伐,实现全面建设小康社会目标的必然要求。"

值得骄傲的是," 中国天眼 " 几乎完美地演绎了这种赶超精神。

以上内容由 " 贵州日报 " 上传发布

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