【新春走基层】大窝凼里的星空守望者 “中国天眼”通过国家验收侧记

发布时间: 2020-01-18 14:55:41 | 来源: 中国网 | 作者: 杨佳 | 责任编辑: 杨佳


 

    贵州南部平塘县境内的群山中,隐藏着一片神秘的大窝凼洼地。窝凼(dàng),意为低洼水坑。

    这片大窝凼是喀斯特地貌环境中的一个漏斗形天坑,周边5公里的范围,没有手机信号,也没有飞机经过。

    这里是中国,乃至全世界搜寻外星智慧生命的前沿阵地,也是现今人类了解和认识宇宙的窗口和先锋。

    全球最大的射电望远镜就建在这片大窝凼中,500米口径的球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope,简称FAST),也被称为“中国天眼”。

 

大窝凼里的工程奇迹

    FAST究竟有多大?相信大多数人很难对它的规模和尺寸形成具象的概念。有记者为此亲身测试,在FAST的环梁上走上一圈,大约需要40多分钟。

    FAST的容积有多大?按照数据测算,如果在这口大锅里盛满水,全世界每人可以喝四瓶。

    在人迹罕至的深山中,完成这样一台世界第一大单口径射电望远镜的建设,并非易事。仅在人力方面,就有超过4000人先后投入到这项工程的建设当中。

    姜鹏,FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师,加入FAST工程已经有10余年。他亲眼见证了平塘县的这个大窝凼,从一个覆盖着茂密植被的天坑一步步被建设成为影响世界的大工程。

    去年春节,姜鹏就在这大窝凼里带领团队,实现了FAST的16项验收性能指标一次性通过测试。

    在开始的阶段,姜鹏的心中也曾经有过不确定的担忧,觉得FAST工程是科学家天马行空的想象,是画在纸上的蓝图,能不能实现是个未知数。

    他解释说,FAST涉及天文、力学、电子学、机械工程、结构工程、控制工程、岩土工程等等,复杂程度超乎想象。工程团队分到每个专业工程方向就只有几个人,所以难度和困难之大可想而知。

    2016年,FAST落成之时,习近平总书记发来贺信,称FAST为“中国天眼”。

    天眼的“视网膜”就是这口径500米的反射面。

    实际上,FAST反射面是直径600米球体的一个球缺(球体被平面截下的一部分)。500米口径是指球缺的底面(截面)圆的直径。

    天眼的反射面由4450块反射单元组成,期中三角形单元4300块,四边形单元150块,每个单元为空间网架结构由铝合金材料制成,上面均匀地排列密集的孔洞,不仅重量轻,透光能力还能促进其下植被生长,减少风压、温度对反射面精度的影响。

    在“天无三日晴,地无三尺平”的贵州大窝凼建设FAST工程,需要探索全新的施工方案。

    整个反射面的控制通过6670根不同规格的钢索以及2225个下拉索、促动器来实现,2225个节点以毫米精度准确地控制着数以千计的反射单元。

    这样的技术创新使得FAST的反射面在局部区域形成300米的瞬时抛物面,从而实现望远镜观测角度的有效调整。

    馈源舱,FAST的“瞳孔”,由六根钢索连接着。

    馈源舱重约30吨,它的内部是满载的监测仪器设备。也正是它,将反射面聚集到的无线电信号进行收集,再传到数据中心,供科学家们分析使用。

    环梁外的六座百米高塔支撑着六套索驱动系统控制着馈源舱,这些联动绳索曾经牵动着整个工程团队的心。

    看似不起眼的绳索,曾经让FAST项目面临生死考验。

    FAST设计要求馈源舱在140米的高空,206米的范围内,以5毫米的精度移动。

    如何找到合适的绳索成了建设时面临的重点难题。

    当时,工程团队测试了所有能够采购到的各种钢索,却没有一个品种的性能能够达到要求。如果馈源舱发生安全事故,将会对整个系统产生毁灭性的打击。

    姜鹏介绍道,材料和工艺层面出现问题,远比设计层面难得多。

    破解之路没有捷径,工程团队只能在不停地试错中探索。

    锚固、扭制、涂层,全面改造绳索工艺,历经两年时间,在遭受了近百次的失败挫折之后,符合要求的绳索终于研制成功。

    绳索的性能决定了馈源舱接收信号的对焦精确,保证了FAST能够更好地接收宇宙中极其微弱的无线电波信号,为测试阶段的科学发现做好了铺垫。

    天眼视网膜上设置了20多个测量基准站,采用激光仪器,每十分钟对整个反射面进行一次精度为2毫米的定位检测。这些细微的校对核准,不是肉眼能够察觉判断的。

    为了不影响反射面的精度,工作人员在进行设备检修时必须被吊在氦气球上,成为“微重力蜘蛛人”,才可以在反射面进行检修作业。

    精度是科学工程的生命。除设计建设外,科学地调试才能保证FAST高精度、高效率运转。包括多系统测量数据融合技术、实时仿真系统等一系列检测调试技术,都是在边发掘边尝试中摸索出来的新方法。

    身着深蓝色工装的姜鹏向记者介绍,FAST站在了中国无数超级工程的基础之上,是积累之后的再突破。

    有外国专家参观时表示,能做到FAST的精度,是只有中国才能实现的工程奇迹。

 

用中国天眼探测浩瀚宇宙

    李菂身着黑色的夹克、白衬衣,利落的短发,温文尔雅,细声慢语地向记者介绍FAST的科研情况。他是国家天文台研究员,FAST运行和发展中心首席科学家,他对FAST的情况如数家珍。

     FAST监测范围覆盖的频段包含了手机信号、蓝牙、无线wifi、GPS等人们日常生活设备中所使用的无线电频段。

     以手机为例,如果手机放置在月亮上,那么对于FAST来说,手机就是月亮上最强的信号源。  

    为此,贵州省人大专门立法,对射电望远镜使用环境实施保护。在FAST周围方圆5公里范围内,禁止建设手机基站,以减少干扰。民航部门也对黔桂地区航线进行了调整,为FAST让路。

     目前,对FAST影响最严重的是躲不开的卫星。

    2020年1月11日,FAST通过了国家验收。这意味着,FAST今后的应用将能够得以科学的规划,从而进行系统性的工作,也将持续产生科研成果。

    早在调试阶段,FAST就已经获得了一批有价值的科学数据,并陆续取得了阶段性科学成果。

    脉冲星是一种能够周期性地发射脉冲信号的宇宙天体,“脉冲星”的名字也由此得来。在广阔的宇宙空间,脉冲星的特性使其能够成为人类在太空旅行中的“灯塔”和“时钟”,因而对太空探索具有特殊的意义。

     国家验收前,FAST已经探测到146颗优质的脉冲星候选体,其中102颗得到认证。在FAST的调试运行阶段,中国脉冲星的发现量超过同期欧美多个脉冲星搜索团队发现数量的总和。

    李菂特别提到,FAST的高灵敏度和高质量数据处理能力,双重作用促成脉冲星发现速度超越了历史。

    他特别告诉记者,FAST发现的第12颗脉冲星,观测数据所取得的新发现已经颠覆了以往的认知。

    李菂强调,这只是一个开端。

    快速射电暴,是2013年才在国际天文领域形成的一个研究方向。FAST项目自2011年开建以来,专门对此进行了研发、改进。

    在这个全新的领域,FAST的发现可谓突飞猛进,不仅发现新的快速射电暴,还发现了重复的快速射电暴。目前,FAST探测到暴发源(FRB121102)的过千脉冲,信号总量超过了世界其它望远镜总和。

    从科学研究的角度,这些新领域的探索也给观测任务带来了不少的挑战。

    “新”意味着项目规划难度高,观测成果不容易把控,实施风险高。  

    谈到未来,李菂说道,面对科技水平高速发展,特别是电子元器件半导体等技术指数型的发展,FAST不可能一直保持世界领先。如何持续发挥它的特性,才是科学工作者们关心的问题。

    大窝凼里的星空守望者们为FAST通过国家验收而欢欣鼓舞时,都会不约而同想起一个人——南仁东。

    他是那个年代的追梦人。

    1993年,日本东京召开的无线电科学联盟大会上,南仁东有了一个“建中国自己的大射电望远镜”的梦想。次年回国的南仁东在之后的22年里,把这个梦变为了现实。

    当年,南仁东为了在广阔的中国大地上找到合适的台址,带着300多幅卫星遥感地图,在远离电磁干扰的深山洼谷中搜寻了长达12年之久。

    在悬崖与荒野中攀爬行走,在实地勘探了80多个洼地后,才最终找到了如今的大窝凼。

    然而,就在FAST工程完工后不到一年的时间,南仁东就离开了这个世界。媒体评论,南仁东闭上双眼离开了我们,却让中国睁开了“天眼”。

    未来,这里将会涌现出更多的如南仁东一样的科学追梦人。相信在他们的努力下,现阶段天文领域面临的“宇宙的起源“、“寻找地外文明”、“太空中的导航”、“到太阳系边缘的通讯能力”等一大堆的难题和挑战,将可能逐步解开。用时下流行的那句话说,未来可期。(中国网 杨佳 拍摄报道)

 

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