“天何所沓?十二焉分?日月安屬?列星安陳?”中國戰(zhàn)國時期詩人屈原在他創(chuàng)作的長詩《天問》中面對宇宙星空發(fā)出驚天一問。面對未知的宇宙星空,古今中外的科學家制作了一批又一批精巧、宏偉、雅致的天文儀器,從中國漢代落下閎的“渾儀”到1608年荷蘭人漢斯用水晶造出的第一臺望遠鏡,再到阿雷西博射電望遠鏡、“中國天眼”等,拉近了人類與星空的距離。
位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼的500米口徑球面射電望遠鏡(簡稱FAST),有“中國天眼”的美譽。作為世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠鏡——“中國天眼”為何能吸引全世界的目光?中國科學院國家天文臺研究員、“中國天眼”總工程師姜鵬近日接受中新社“東西問”獨家專訪,對上述問題進行解答。
資料圖:2021年2月7日拍攝的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)。中新社記者 瞿宏倫 攝
現(xiàn)將訪談實錄摘要如下:
中新社記者:“中國天眼”建設(shè)初衷是什么?
姜鵬:FAST最初被國際天文聯(lián)合會棄用后,走上中國獨立自主研發(fā)道路。以南仁東先生為代表的中國科學家開始FAST的建設(shè)探索,開啟了“把不可能變成可能”的征途。最初從發(fā)展推動“十一五”大科學裝置來立項,最后走到現(xiàn)在成為世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠鏡。
FAST建設(shè)的初衷就是在地球電磁波環(huán)境還能進行天文觀測的時候進行天文研究。FAST最早起源于一個國際合作項目。在1993年京都舉行國際無線電科學聯(lián)合會上,包括中國在內(nèi)的多個國家提出倡議,希望在地球電磁波環(huán)境被破壞前,建造新一代大射電望遠鏡,F(xiàn)AST是方案之一。當時主要有兩個論點:一種是建一堆小的,口徑10米、20米;另一種是建設(shè)類似FAST的大型望遠鏡。因為國際上認為單口徑大射電望遠鏡風險較大且有區(qū)域限制等,F(xiàn)AST未被“LT”(大口徑射電望遠鏡)實施方案選中。后來建一堆小望遠鏡成為國際主流,也就是“SKA”平方公里陣列射電望遠鏡。
資料圖:“中國天眼”總控室一隅。中新社記者 瞿宏倫 攝
中新社記者:與國外不同類型天文望遠鏡相比,“中國天眼”的特色和優(yōu)勢在哪里?
姜鵬:FAST是當今射電天文學的“重器”。其基本原理是什么呢?我們都知道,平行電磁波遇到拋物面反射后會匯聚到焦點的位置。對射電望遠鏡來說,把反射面做成拋物面的形狀,然后在焦點位置放置一臺接收機,就可以收集天體發(fā)出的電磁波信號,從而進行天文觀測。拋物面的面積越大,匯集的信號就越多,也就越能探測到更暗弱、更遙遠的天體。
FAST是一個全新的望遠鏡概念,它的設(shè)計方案是從來沒有過的,這也是它能突破傳統(tǒng)望遠鏡百米口徑工程極限的前提。對望遠鏡而言,靈敏度是最關(guān)鍵指標之一。FAST巨大口徑帶來高靈敏度,探測暗弱信號能力更強,可以極大擴展可觀測量樣本數(shù)量,同時可以看到更遙遠的天文學現(xiàn)象。
FAST的設(shè)計不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡,主要體現(xiàn)在反射面和饋源艙系統(tǒng)上。作為世界首創(chuàng),F(xiàn)AST是主動反射面,可以改變形狀,一會兒是球面,一會兒是拋物面。由6670根鋼索編制的索網(wǎng),掛在由50根巨大鋼柱支撐、直徑500米的圈梁上;索網(wǎng)上鋪有4450塊、380多種反射面單元;索網(wǎng)下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面上的促動器上,通過操縱促動器,拉動下拉索來改變索網(wǎng)形狀,從而對天文信號進行收集和觀測。
饋源艙也是一個大膽的突破性設(shè)計。FAST采用全新的輕型索驅(qū)動控制系統(tǒng),可以自如改變角度和位置,更有效地收集、跟蹤、監(jiān)測更豐富的宇宙電磁波。饋源艙重約30噸。體積小帶來有效減少光路遮擋、減少干擾信號等多方面優(yōu)勢,更有利于天文觀測。
目前,F(xiàn)AST已經(jīng)實現(xiàn)跟蹤、漂移、運動掃描、編織掃描等,提前完成功能性調(diào)試。在性能調(diào)試方面,F(xiàn)AST直徑500米,卻要實現(xiàn)毫米級精度,難度相當大。測量基準網(wǎng)的精度已提升至1毫米以內(nèi),其中,靈敏度水平是世界第二大望遠鏡(阿雷西博,已經(jīng)于2020年12月倒塌)的2.5倍以上,這是中國建造的射電望遠鏡第一次在靈敏度上占據(jù)制高點。另外,19波束已經(jīng)完成安裝,其意義也非常重大:可將望遠鏡視場擴大至原來的19倍,大幅提升望遠鏡巡天效率。
資料圖:在FAST圈梁上魚眼鏡頭拍攝的“中國天眼”。中新社記者 孫自法 攝
中新社記者:海內(nèi)外科學家對“中國天眼”的落成啟用寄予厚望,它的成果對科學前沿實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展有何意義?
姜鵬:FAST的落成啟用將為海內(nèi)外的科學家提供一個機遇,F(xiàn)AST具有看到別人看不到的空間區(qū)域的能力。例如,目前FAST所發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量已超過500顆,是同一時期國際上所有其它望遠鏡發(fā)現(xiàn)數(shù)量總和的4倍以上。脈沖星是正在快速旋轉(zhuǎn)的中子星,密度極高,每立方厘米重達上億噸。它自轉(zhuǎn)速度很快、自轉(zhuǎn)周期精確,堪稱宇宙中最精確的時鐘。因此,基于脈沖星測時研究,不僅有可能建立“宇宙導航系統(tǒng)”,有助于人類在未來實現(xiàn)星際旅行的夢想,還可能發(fā)現(xiàn)低頻引力波,這將打開天文學觀測的新窗口。
目前,基于FAST高水平研究成果已超百篇,4篇研究成果已經(jīng)在《自然》(Nature)發(fā)表或接收。目前較有影響力的成果是關(guān)于快速射電暴,其提示了磁層在快速射電暴現(xiàn)象中起到的主導作用。此外,發(fā)現(xiàn)的500余顆脈沖星,也是巨大的寶藏,未來我們將持續(xù)對它們進行后隨觀測,以揭開它們更深層的秘密。
但是我們必須明白,更加重要的科學發(fā)現(xiàn)也是需要運氣支撐的。我們擴展了可觀測樣本的數(shù)量,但那里是不是有我們想要找到的奇異天體,例如脈沖星黑洞雙星系統(tǒng)或者亞毫秒脈沖星等,甚至我們是否真的能探測到低頻引力波,包括對臨近星系M31進行觀測,能否最終幫助我們理解暗物質(zhì)的性質(zhì),是否能找到第一顆河外射電脈沖星?這些都需要事實來檢驗。
對于FAST,我們還在做一些技術(shù)方面研究,在原有基礎(chǔ)上進一步提升性能,如發(fā)展新測量技術(shù)、提高頻率、發(fā)展新接收機技術(shù)等來解決一些難題。在測量技術(shù)方面也有一些考慮,如采用微波測距技術(shù)代替光學測量系統(tǒng),以做到全天候高精度測量控制,從而確保FAST穩(wěn)定運行。
資料圖:“中國天眼”征集觀測申請網(wǎng)頁。中新社記者 瞿宏倫 攝
中新社記者:“中國天眼”已對全球科學家開放,目前的申請觀測情況如何?未來在加強國內(nèi)外開放共享等方面有哪些構(gòu)想?
姜鵬:FAST向世界全面開放,彰顯了中國與國際科學界充分合作的理念。在開放合作中,中國的科學重器將更好地發(fā)揮效能,促進重大成果產(chǎn)出,為全人類探索和認識宇宙作出貢獻。
截至目前,國外科學家已有30余份申請約800個機時,已有一半左右的申請機時得到支持。國外的申請觀測主要是探測脈沖星等,基本與國內(nèi)關(guān)注的方向一致,都是基于FAST的基本功能,從研究方向上來說國外申請觀測的分布比較正常,具體在觀測細節(jié)上會有中外差異。
國內(nèi)外科學家在FAST使用及觀測的科研是一個相互學習的過程。在FAST的調(diào)試階段,中國的科研團隊就已同國外科學家有很多接觸,一些著名的研究員也是從國外引進以開展技術(shù)交流合作??烧f,F(xiàn)AST的國際交流與合作目前處于一個比較正常和理想的狀態(tài)。
國家指導下,F(xiàn)AST正在進行一些國際開放的工作。隨著時間推移,F(xiàn)AST開放程度可能會越來越高,伴隨科學家對FAST性能的理解,相信以后國外申請的競爭也會更加激烈。
天文學本就是一個比較開放的學科,因為它是一個滿足人類好奇心的學科,對人類現(xiàn)在的生存條件或者切身利益關(guān)聯(lián)性不大。FAST的國際合作一直都有,包括現(xiàn)在一些項目研究,也有國外團隊在做支撐。FAST的數(shù)據(jù)在合作開放后,國外科學家也可以有同等權(quán)利對數(shù)據(jù)進行分析。
FAST的預(yù)期目標,就是加大前沿方向探索,加強國內(nèi)外開放共享,推動重大成果產(chǎn)出,勇攀世界科技高峰。我們將努力“用好”“天眼”,產(chǎn)生更多科研成果,推動人類對宇宙的探索和認知。(完)
受訪者簡介:
姜鵬,1978年12月出生,固體力學博士。現(xiàn)為中國科學院國家天文臺研究員、博士生導師,主要研究方向為射電天文技術(shù)。目前擔任“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)總工程師,全面負責FAST望遠鏡運行和維護的相關(guān)技術(shù)工作,是長期工作在該工程一線的青年代表,為推動FAST通過國家驗收做出重要貢獻。目前,姜鵬作為項目負責人主持國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等項目9項;已發(fā)表論文50余篇,獲得授權(quán)專利近30項;組織出版FAST調(diào)試運行期間的相關(guān)成果???部。
責任編輯:Rex_01