“中國天眼”創造“中國速度”

　　《“中國天眼FAST”為什麼fast?》,這是3月13日,國家天文臺微信公眾號推送的一篇文章,詳細介紹了“中國天眼”在工程建設、系統調試、測試成果等方面的驚人速度。

　　文章作者是原國家天文臺臺長、FAST工程經理部經理嚴俊和國家天文臺天體物理在讀博士王珅。文章中説,FAST快在工程建設沒有延期一天,快在調試階段就開始系統發現新脈衝星,快在調試階段就已經開始進行科學研究開展巡天觀測,快在計劃今年就通過國家驗收,轉入常規觀測與維護,開放設施與數據。　　

　　截至目前,FAST已經發現了80余顆脈衝星候選體。

●上百國際項目排隊申請合作　　

　　“中國天眼”位於黔南州平塘縣,正式名稱是500米口徑球面射電望遠鏡,比美國最大口徑、305米的阿雷西博射電望遠鏡綜合性能提高約10倍。　　

　　我們為什麼需要大科學裝置研究天文?嚴俊和王珅在文章中説,天文學的每一次重大突破都會在“不經意間”對整個基礎學科乃至人類文明的進程帶來巨大推動,而大科學裝置帶來的科技進步及影響很難用普通眼光來估計。　　

　　比如,對太陽黑子爆發活動的觀測預報關乎發電廠和電網設備的安全；對空間碎片的監測預警關乎在軌衛星的安全。“試想一下,如果沒有長期細緻的觀測記錄、精準快速的計算模型,哪怕只是短暫發生的太陽風暴和極小的空間碎片,都會造成電網中斷、衛星失靈,給國民的生産生活帶來不可估量的損失。”　　

　　有意思的是,它的英文名稱(Five-hundred-meter　Aperture　Spherical　radio　Telescope)首字母縮寫為FAST,和“快”的英文單詞fast正好巧合。　　

　　從建設來看,國家批准FAST工程建設週期為5.5年,從2011年3月5日開工報告批復之日起,到2016年9月25日如期竣工,不多不少。而調試速度和試觀測成果的表現,無疑是FAST又快又好的最好説明。　　

　　從調試來看,通常大型望遠鏡的調試期一般超過4年。“美國綠岸GBT望遠鏡(100米)花了6年,意大利SRT望遠鏡(64米)超過5年,而中國天眼計劃的調試期只有3年。”　　

　　還在校準過程中,中國天文學家就爭分奪秒展開科學觀測。望遠鏡還不能移動,就採用漂移掃描的方式,讓地球自轉帶著“中國天眼”巡天。建成不到一年,就建立精確的跟蹤觀測模式,通過與其他望遠鏡的觀測結果對比,驗證了“中國天眼”的超高靈敏度和效率。　　

　　這歸功於國家天文臺脈衝星搜索團隊的提前準備。竣工前一年,團隊就開始集中處理澳大利亞帕克斯(Parkes)望遠鏡的公開數據,對團隊成員進行相應的觀測及數據處理訓練,並開發創新搜索軟體和數據庫。當開始調試時,採用了三套流程同時處理數據,並通過國際合作開展相關的後隨觀測。　　　　

　　調試核心組有七個專業小組和一個保障小組。部分設備的調試早在FAST完全建成之前就已經開始了。在調試階段開始不久,2個關鍵調試就已經順利完成。在“中國天眼”面板尚未安裝完畢時,相應的信號處理後端及模擬觀測也已在同步進行中。這樣做的好處是可以提前訓練觀測團隊,模擬觀測流程,檢驗相應的觀測程式,最終保證了“中國天眼”一建成就立即投入觀測。       

　　2016年9月25日,“中國天眼”竣工,習近平總書記發來賀信,希望FAST“早出成果,多出成果,出好成果,出大成果”。目前,FAST發現的80余顆脈衝星候選體中,已經確認50余顆新脈衝星,包括數顆毫秒脈衝星。　　

　　中國科學家爭分奪秒,外國科學家也不甘落後。雖然FAST還沒有驗收,多國天文科學家已排隊申請合作。文章透露,截至2月28日,“中國天眼”第一批觀測申請項目超過100個,首席科學家來自21個研究單位。這個速度也是世界天文望遠鏡設備使用的奇跡!

●為什麼調試時間沒有提前　　

　　關於調試時間,記者還有一個“獨家插曲”——2017年10月,在北京撰寫FAST項目的發起者、首席科學家、總工程師南仁東(已故)先進事蹟巡迴報告時,嚴俊向記者透露,調試工作預計將在2018年底通過驗收。記者寫完稿件後給他發送電子郵件,待他確認這個時間節點,但他沒有回復。後來,記者再次遇到嚴俊,他坦承沒有看到:“郵件太多了,看不過來。”他還説:“團隊的壓力已經夠大了,最好不報道,能提前當然更好,不能提前也可以,免得給團隊壓力太大。”　　

　　的確,“中國天眼”的調試速度已經夠快了。　　

　　從時間上來説,“中國天眼”的調試時間只有同類的40%至60%。但是,從難度上來説,“中國天眼”系統更為複雜。　　

　　傳統全可動望遠鏡最大口徑是100米,超過這一極限,望遠鏡會因為自重和風荷載引起形變。而“中國天眼”的口徑是500米,兩者在口徑上不是一個量級。　　

　　從超級口徑來説,只有美國阿雷西博望遠鏡能夠和“中國天眼”作比較,但是,前者的反射面是固定的,後者卻能像眼珠子一樣靈活轉動。原因在於,FAST的索網結構可以移動變化,一會兒球面一會兒拋物面,能在射電源方向形成300米口徑暫態拋物面,從而極大地提升觀測效率。　　

　　主動反射面是中國天眼的重大創新。這項偉大的構思是由天文科學家邱育海提出。1998年,邱育海在《天體物理學報》發表的一篇論文,闡述了具有主動主反射面的巨型球面射電望遠鏡的構思。　　　

　　FAST調試組組長姜鵬説:“‘中國天眼’具有超高的靈敏度和大覆蓋天區,它使中國製造的望遠鏡在靈敏度指標上,站在了世界制高點。”“中國天眼”單一的系統可以説都是完美的,但放在一起還能正常工作是非常難的。對望遠鏡進行整體聯調,除了重要的饋源艙,還包括反射面,以及整個“視網膜”和“瞳孔”的協同。它們有大量的運動部件和機械裝置,必須努力降低故障對望遠鏡觀測性能的影響,保證它隨時想看就能看,想看什麼就能看什麼,還要儘量減少風、雨、霧對它的觀測時長的影響。　　

　　也就是説,“中國天眼”系統更複雜而調試難度更大,但調試速度卻更快,這也意味著,對歐美同行實現了雙重超越。

●後發趕超SKA　　

　　事實上,“中國天眼”的發起建設,和SKA項目有關。　　

　　SKA是平方公里射電陣(Square　KilometreArray)的縮寫。1991年,國際天文學家在日本東京召開的一次會議上提出,要在人類活動製造的電磁波污染太空之前,搶先建設大型射電望遠鏡。這才有了SKA的初步設想——由2500面15米口徑的碟型天線及超過100萬個低頻天線等單元組成,分佈在3000公里的範圍內。　　

　　南仁東獲悉後,提出中國也要建設自己的大射電望遠鏡。　　

　　也就是説,FAST和SKA同時動議,區別在於,SKA是世界最大的在建綜合孔徑射電望遠鏡,FAST是世界上最大的單口徑射電望遠鏡。　　

　　2004年,FAST完成選址,而SKA一直到2012年才完成選址論證,並在南非和澳大利亞各有優勢的情況下作出雙臺址的決策。　　

　　有意思的是,就在嚴俊感慨“‘中國天眼FAST’為什麼fast”的前一天,進展緩慢的SKA項目發佈了最新消息。　　

　　3月12日,中國、澳大利亞、意大利、荷蘭、葡萄牙、南非、英國七個創始成員國在意大利羅馬正式簽署SKA天文臺公約,這被視為SKA一個重要里程碑。　　

　　根據該公約,SKA將分階段建設,第一階段預計2020年底開工,2027年左右完工；剩餘望遠鏡單元將在第二階段建設,2030年後全部建成。　　

　　事實上,SKA動工建設的時間已經推遲好幾次了。假如這一次的消息是確鑿的,SKA從動議到最終建成將耗時40年,而FAST總耗時為26年。從建設時間來説,SKA首期7年,第二期10年,合計17年；而FAST建設時間為5.5年。　　

　　儘管FAST比SKA快得多,但中國並不是SKA的旁觀者,相反,SKA和中國有密切的關係。這是繼國際熱核聚變實驗之後,中國參加的第二大國際大科學工程。更重要的是,這還是中國參加的首個從項目醞釀、建設、管理均全程參與並扮演重要角色的國際大科學工程。　　

　　據悉,SKA預算20多億美元,反射面總面積高達100萬平方米,是FAST的4倍。兩者的工程地理環境和地質條件也不同,直接對比不夠科學。但是,時間上的進度對比足以説明,FAST之所以後來居上,和中國科學家、貴州人民主動作為的強烈意識以及後發趕超的精神是分不開的。　　

　　毫無疑問,“中國天眼”讓中國天文學研究實現了跨越式發展。從1933年央斯基(Jansky)研究射電輻射起,86年來,産生了6項相關的諾貝爾獎。而中國,直到1990年,最大的射電望遠鏡口徑才25米。所以,FAST的名稱,也包含著中國天文學家追趕世界射電研究前沿的急迫心情:快一點!再快一點!　　

　　這種只爭朝夕的心情也是貴州人的心情。貴州省和黔南州總結提出了“追趕、領先、跨越”的FAST精神。這也是中央和國務院對貴州的希望。2012年國發2號文件明確指出,“進一步促進貴州經濟社會又好又快發展,是加快脫貧致富步伐,實現全面建設小康社會目標的必然要求。”　　

　　值得貴州驕傲的是,“中國天眼”完美地演繹了這種趕超精神。（作者 肖郎平）