“中国天眼”创造“中国速度”

　　《“中国天眼FAST”为什么fast?》,这是3月13日,国家天文台微信公众号推送的一篇文章,详细介绍了“中国天眼”在工程建设、系统调试、测试成果等方面的惊人速度。

　　文章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。文章中说,FAST快在工程建设没有延期一天,快在调试阶段就开始系统发现新脉冲星,快在调试阶段就已经开始进行科学研究开展巡天观测,快在计划今年就通过国家验收,转入常规观测与维护,开放设施与数据。

　　截至目前,FAST已经发现了80余颗脉冲星候选体。

　　●上百国际项目排队申请合作

　　“中国天眼”位于黔南州平塘县,正式名称是500米口径球面射电望远镜,比美国最大口径、305米的阿雷西博射电望远镜综合性能提高约10倍。

　　我们为什么需要大科学装置研究天文?严俊和王珅在文章中说,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；对空间碎片的监测预警关乎在轨卫星的安全。“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-meter　Aperture　Spherical　radio　Telescope)首字母缩写为FAST,和“快”的英文单词fast正好巧合。

　　从建设来看,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。

　　从调试来看,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。”

　　还在校准过程中,中国天文学家就争分夺秒展开科学观测。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,就建立精确的跟踪观测模式,通过与其他望远镜的观测结果对比,验证了“中国天眼”的超高灵敏度和效率。

　　这归功于国家天文台脉冲星搜索团队的提前准备。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,并开发创新搜索软件和数据库。当开始调试时,采用了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。

　　调试核心组有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在同步进行中。这样做的好处是可以提前训练观测团队,模拟观测流程,检验相应的观测程序,最终保证了“中国天眼”一建成就立即投入观测。

　　2016年9月25日,“中国天眼”竣工,习近平总书记发来贺信,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,多国天文科学家已排队申请合作。文章透露,截至2月28日,“中国天眼”第一批观测申请项目超过100个,首席科学家来自21个研究单位。这个速度也是世界天文望远镜设备使用的奇迹!

　　●为什么调试时间没有提前

　　关于调试时间,记者还有一个“独家插曲”——2017年10月,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,严俊向记者透露,调试工作预计将在2018年底通过验收。记者写完稿件后给他发送电子邮件,待他确认这个时间节点,但他没有回复。后来,记者再次遇到严俊,他坦承没有看到:“邮件太多了,看不过来。”他还说:“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。

　　从时间上来说,“中国天眼”的调试时间只有同类的40%至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。这项伟大的构思是由天文科学家邱育海提出。1998年,邱育海在《天体物理学报》发表的一篇论文,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指标上,站在了世界制高点。”“中国天眼”单一的系统可以说都是完美的,但放在一起还能正常工作是非常难的。对望远镜进行整体联调,除了重要的馈源舱,还包括反射面,以及整个“视网膜”和“瞳孔”的协同。它们有大量的运动部件和机械装置,必须努力降低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,但调试速度却更快,这也意味着,对欧美同行实现了双重超越。

　　●后发赶超SKA

　　事实上,“中国天眼”的发起建设,和SKA项目有关。

　　SKA是平方公里射电阵(Square　KilometreArray)的缩写。1991年,国际天文学家在日本东京召开的一次会议上提出,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。这才有了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、英国七个创始成员国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。

　　根据该公约,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,SKA动工建设的时间已经推迟好几次了。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,这还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。

　　据悉,SKA预算20多亿美元,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,直接对比不够科学。但是,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发展。从1933年央斯基(Jansky)研究射电辐射起,86年来,产生了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,也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。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。”

　　值得贵州骄傲的是,“中国天眼”完美地演绎了这种赶超精神。（记者 肖郎平）