瞭望丨敢为人先建“天眼”

瞭望丨敢为人先建“天眼”

文 |《瞭望》新闻周刊记者 潘德鑫 欧东衢

　　南仁东（中）与工程技术人员在大窝凼施工现场检查施工进展（2014年12月1日摄）。中科院国家天文台供图

　　我国科学家日前利用“中国天眼”FAST对一例位于银河系外的快速射电暴开展了深度观测，首次探测到距离快速射电暴中心仅1个天文单位（即太阳到地球的距离）的周边环境的磁场变化，向着揭示快速射电暴中心引擎机制迈出重要一步。

　　该研究由“中国天眼”FAST快速射电暴优先和重大项目科学研究团队完成，相关成果9月21日在国际学术期刊《自然》发表。

　　年观测时长超5300小时，运行效率和质量不断提高；发现660余颗新脉冲星，进入成果爆发期；发现迄今为止唯一一例持续活跃的重复快速射电暴FRB20190520B，并将其定位于一个距离我们30亿光年的矮星系；中国科学家利用“中国天眼”FAST获得的测量结果，为解决恒星形成三大经典问题之一的“磁通量问题”提供了重要观测证据……

　　近年来，位于贵州省黔南州平塘县大窝凼的500米口径球面射电望远镜（以下称“中国天眼”或FAST）频频传出震惊世界的好消息。这只“观天巨眼”在快速射电暴起源与物理机制、中性氢宇宙研究、脉冲星搜寻与物理研究、脉冲星测时与低频引力波探测等方向持续产出成果，拓展了人类观察宇宙视野的极限。

　　全面建设社会主义现代化国家，必须坚持科技为先，发挥科技创新的关键和中坚作用。党的十九届五中全会提出，坚持创新在我国现代化建设全局中的核心地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑。

　　“中国天眼”作为国家重大科技基础设施，实现了我国在前沿科学领域的一项重大原创突破，是我国科技自立自强的一个典范。

　　20多年前，一群中国科学家以“敢为天下先”的豪情壮志，在全世界都没有现成经验的情况下，让看似“空中楼阁”的“中国天眼”最终得以屹立在贵州的群山之中。

　　在这个过程中，有“咬定青山不放松”的韧劲、“不破楼兰终不还”的拼劲、“踏平坎坷成大道”的闯劲，更离不开中国多年发展积累的实力。从选址、建设、调试、运营，“中国天眼”每一个环节、每一块面板、每一行代码，都凝结着中国智慧和中国创造。

　　关键核心技术要不来、买不来、讨不来。没有科技创新的自立自强，就难以掌握关键核心技术，注定永远受制于人，只能亦步亦趋。

　　近年来，以“中国天眼”为代表的一个个重大科技项目，不断刷新着我国科技发展的高度。荣耀背后，与一系列关键核心技术的突破密不可分。而突破力量的源泉，就厚植于自立自强的创新土壤之中。

　　敢为人先攀高峰

　　8月25日，FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏（后）在“中国天眼”馈源舱内工作（维护保养期间拍摄）。新华社记者 欧东衢 摄

　　如果要问，“中国天眼”最大的特点是什么？除去科学上的价值，或许可以用六个字来概括：敢创新，能创新。

　　500米口径，总面积达到25万平方米，相当于30个标准足球场那么大。

　　20世纪90年代，“中国天眼”设想提出时，大胆到有些突兀，当时中国最大的射电望远镜口径不到30米。口径500米的“中国天眼”，可将类太阳星巡视目标扩大至少5倍。

　　唯有雄心多壮志。为了使人类有能力探索更多未知星体、未知宇宙现象、未知宇宙规律，也为缩小中国在天文领域与世界先进水平的差距，以南仁东、姜鹏等为代表的科学家、工程师，毅然承担了这个很多人认为“不可能完成”的任务。

　　独一无二的科学工程，没有经验可循，注定会面临史无前例的挑战。

　　2011年3月，“中国天眼”正式开工建设。为加快工期，台址开挖和装置本身部件的设计和试验同步进行。反射面板如“中国天眼”的“视网膜”，索网则是支撑“视网膜”的“神经系统”。“中国天眼”反射面板虽只有1毫米厚，也要使用2000多吨铝合金，其索网结构是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的，对抗疲劳性能的要求极高，现有钢索都难堪重任。

　　FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏带着一帮青年人，用整整两年时间，进行了大规模的索疲劳试验。近百次失败，从千头万绪中不断探寻解决问题的关键，终于攻克超高强度、抗反复拉伸的钢索，首创主动变形反射面，使望远镜覆盖40度天顶角，成功支撑起“中国天眼”的“视网膜”。

　　“没人告诉你可以怎么做，谁也没有把握自己的方法一定行。”姜鹏告诉《瞭望》新闻周刊记者，“反复试验、多次失败、越挫越勇”的艰难攻关几乎贯穿了FAST建设阶段的每一个环节。在建设阶段，“中国天眼”获得了钢结构、自动化产业、机械工业、创新设计、测绘地理信息技术、电磁兼容研发、建设工程等10余个领域的国家大奖。

　　创新无捷径，唯有敢攀登。

　　2016年9月25日，“中国天眼”宣告落成启用，向全球工程界贡献了大科学工程的中国经验和创新实践：4450个反射单元构成的反射面；6根钢索控制的30吨馈源舱，可以在140米高空、206米的尺度范围内实时定位；500米的尺度上测量角度精确到8角秒；超高耐疲劳钢索在200万次循环加载条件下可达500MPa应力幅，国际上尚无先例。

　　严谨求实展极限

　　落成启用，施工方松了口气，但FAST运营团队的每一个人心里都清楚，真正的挑战才刚刚开始：“世界最大”的目标实现了，还要调整成为“世界最灵敏”。

　　望远镜调试工作极具挑战，一般传统望远镜的调试周期至少需要四年。FAST的调试难度更大，不仅涉及众多学科及专业的交叉应用，同时也存在巨大的安全风险。

　　“睡觉时，如有人一直在旁边打呼噜就很难睡着。对FAST也是如此，电磁干扰就像旁人打的呼噜，不解决就无法正常工作。”FAST运行和发展中心电子与电气工程部主任甘恒谦说，FAST是一个庞大的系统，所有带电设备都会产生电磁干扰，任何一处干扰控制不好就会影响监测。

　　FAST变电站会产生很强的电磁干扰，需要安装高压滤波器。之前使用的是薄膜电容器，这本是一种在很多工程中得到验证的成熟设备，但用在FAST就不行，承受不了高压的薄膜被击穿。

　　甘恒谦说，发现问题时，整个FAST的调试已经开始，去找厂家解决问题时间来不及，也不一定能找到解决办法，只能自己突破。经过近2年的摸索与试验，把传统陶瓷电容改造成穿心电容，最终的滤波效果特别好。

　　“中国天眼”世界最大、最灵敏的特性，激发了很多特殊的技术需求，需要中国科学家们充分发挥主观能动性和创造力，在不断“挑战认知和技术极限”、不断“发现问题、解决问题”中优化升级。

　　调试阶段碰到的另一个难题是控制系统推翻重建。“积木搭好了，却发现各部分无法有效连接，望远镜不能按照总控的指令高效运行。”FAST运行和发展中心测量与控制工程部主任孙京海说，“简单的修复解决不了问题，这个系统是别人开发的，我们把控不了，必须果断放弃，换系统。”

　　为了尽快开发出新的控制系统，孙京海几乎独自重写了全部核心算法代码。记不清熬了多少个夜、错过多少顿饭，他心里只有一个想法：不能让工程调试进度耽误在自己这里。最终，在正式测试时，一套为FAST量身定制的控制系统，所有指标一次通过。

　　记者问：“当时有把握开发出新系统吗？”他说：“也没把握一定能找到新路，但我们肯定老路一定是行不通了。”

　　日拱一卒无有尽，功不唐捐终入海。经过3年多的艰苦调试，“中国天眼”于2020年1月11日通过国家验收。借助“中国天眼”超高的灵敏度，国家天文台已经将脉冲星的计时精度提升至世界原有水平的50倍左右，这将有可能使人类首次具备极低频的纳赫兹引力波的探测能力。

　　“天眼”问天，没有终点。姜鹏坦言，如果只把FAST当成一个望远镜、一台监测设备，现在已经达标了。但要维持FAST世界领先的地位，我们的创新就不能停下来，我们会倾尽全力让FAST稳定性更好、运行效率更高。

　　持之以恒探苍穹

　　“中国天眼”的建造，无疑是饱含战略眼光的超前部署。

　　20世纪90年代，当国际上还在为新一代大射电望远镜怎么建、在哪建争论不休时，以南仁东为首的中国科技工作者提出这一极富挑战、近乎天马行空的设想，并且得到了国家支持。

　　“独立自主建”“利用喀斯特地貌建”“技术不成熟就一边研究一边建”。南仁东等人明确了这三条后，连望远镜要落户的喀斯特洼坑在哪都不知道，就开始干了。

　　看似“不合理”现象的背后，是以南仁东等为代表的中国天文学家们，努力缩小与世界先进水平差距的迫切愿望和责任担当。

　　天文学是孕育重大原创发现的前沿科学，也是推动科技进步和创新的战略制高点。重大突破，装置先行。处在发展上升阶段的“朝阳学科”，谁提出问题，谁就掌握了科学发展的动向。尤其是对于天文学这样的实验科学而言，前人的理论研究走在了前面，后人的实验验证是关键，这就必须用到大科学装置。只有天天摸着望远镜做观测的人，才能发现前沿的问题。

　　工欲善其事，必先利其器。怀着回报民族的赤诚和描绘宇宙的初心，活跃在国际天文界的南仁东在上世纪90年代毅然回国，力主中国独立建造射电“大望远镜”。

　　树立目标不易，实现目标更难。

　　第一个挑战，就是选址。FAST的理想建造地对地形、地质、水文等都有着极高要求，为了给望远镜找个最合适的“家”，当时年近50岁的南仁东带着团队与300多幅卫星遥感图，风餐露宿地奔走于贵州大山深处。12年时间里，他们几乎走遍了贵州所有的喀斯特洼地，最终从300多个候选洼地里，选择了平塘县大窝凼——最适合“天眼”的深深“眼窝”。

　　重大科技创新，考验的不仅是科技实力，更是综合国力。人、财、物各方面的大量投入，让当代的重大科技创新成为一项繁杂的系统工程。

　　2007年，“中国天眼”5公里范围被划定为核心区，30公里范围被划定为电磁波宁静区，克度镇和塘边镇共1410户6633名村民搬出大山。

　　如果没有国家的大力支持和统筹安排，没有集中力量办大事的制度优势，可能就不会有今天的“中国天眼”。

　　从1994年启动选址，到2011年动工，再到2016年竣工，中国的科技工作者们22年磨一“眼”，其困难挑战可知，其坚强意志可知，这不竭的力量很大程度上正是源于中国特色社会主义制度的独特优势。

　　敢为人先的魄力、追求极致的毅力和持之以恒的定力，这既是“中国天眼”的成功秘诀，也是我们勇攀世界科技高峰、加快建设科技强国、实现科技自立自强的不二法门。

　　8月28日，“秒聚青科·走近中国天眼创新论坛”在贵州平塘举行。姜鹏在论坛上表示：在稳定运行和提升性能时，未来FAST的巡天效率将实现数量级的提升，并利用FAST解决中国射电天文领域的核心技术问题。

　　中国创新，仍在不断拓展“中国天眼”的效率和视界。