“中國天眼”捕獲宇宙“脈沖” 名副其實天籟之音

　　它時強(qiáng)時弱、若隱若現(xiàn)，仿佛穿越亙古蠻荒而來;它源自茫茫宇宙深處，是名副其實的“天籟之音”。它就是根據(jù)脈沖星信號振幅轉(zhuǎn)換為聲音后制作的一段音樂，蘊(yùn)含著等待破解的宇宙之謎，深邃而神秘。這段神秘“天籟之音”只有短短30秒，卻是貴州平塘國際天文體驗館的“鎮(zhèn)館之寶”，而捕捉到脈沖星信號、探測其振幅的是“中國天眼”即500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)，它就坐落在平塘一個被稱作“大窩凼”的喀斯特地貌巨型洼坑中。

　　位于貴州平塘的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)

　　實現(xiàn)“零”的突破

　　FAST是具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。2016年9月，F(xiàn)AST建成并開始接收來自宇宙深處的電磁波，進(jìn)入試運(yùn)行、調(diào)試階段。一年來，F(xiàn)AST不知疲倦地掃描巡天，敏銳地捕捉各類信號，取得振奮人心的發(fā)現(xiàn)。10月10日，F(xiàn)AST團(tuán)隊在京舉行發(fā)布會表示，“中國天眼”探測到優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體達(dá)數(shù)十個，其中目前已通過系統(tǒng)認(rèn)證的脈沖星達(dá)6顆。

　　中國科學(xué)院國家天文臺在發(fā)布會上公布了其中兩顆脈沖星的具體信息。一顆自轉(zhuǎn)周期為1.83秒，距離地球約1.6萬光年;另一顆自轉(zhuǎn)周期為0.59秒，距離地球約4100光年。它們分別由FAST于今年8月22日、25日通過漂移掃描發(fā)現(xiàn)的。

　　FAST超乎尋常的表現(xiàn)一舉實現(xiàn)了中國在脈沖星發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域“零的突破”，為世界射電天文學(xué)發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。國際天文學(xué)界因此把更多關(guān)注的目光投向中國。正如國際知名的澳大利亞帕克斯64米射電望遠(yuǎn)鏡科學(xué)主管喬治?霍布斯所說的那樣，“中國天眼”的調(diào)試以及逐漸產(chǎn)出成果是目前國際天文學(xué)界最激動人心的事件之一。

　　1967年，英國人喬斯琳?貝爾發(fā)現(xiàn)了新型天體脈沖星，該項發(fā)現(xiàn)后來獲得了諾貝爾物理獎。至今，被人類發(fā)現(xiàn)的脈沖星至少有2700顆。研究表明，這類天體是一種高速自轉(zhuǎn)的中子星，由恒星演化和超新星爆發(fā)產(chǎn)生。其密度極高，每立方厘米重達(dá)上億噸，一塊方糖大小就相當(dāng)于地球上一萬艘萬噸巨輪的重量。脈沖星的自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定，其穩(wěn)定度比目前最穩(wěn)定的氫原子鐘還要高1萬倍以上，被譽(yù)為自然界中最穩(wěn)定的天文時鐘，而精準(zhǔn)的時鐘信號是為航天器導(dǎo)航的必要前提，因而脈沖星也被稱作人類星際航行的“燈塔”。此外，由于脈沖星是在?？s的超新星的殘骸中發(fā)現(xiàn)的，對它們的觀察研究有助于人類了解星體?？s，揭示宇宙誕生和演變的奧秘。

　　20余載成就巡天重器

　　FAST調(diào)試階段首批成果發(fā)布會專門舉行了默哀儀式，表達(dá)對FAST工程總工程師兼首席科學(xué)家南仁東的哀思。就在約1個月前，F(xiàn)AST即將迎來落成一周年之際，他卻溘然長逝，令人不勝唏噓。為FAST工程的立項、建設(shè)和調(diào)試工作，南仁東帶領(lǐng)團(tuán)隊艱苦奮斗20余載，而他也因?qū)υ摴こ痰淖吭截暙I(xiàn)，被譽(yù)為“中國天眼之父”。

　　1993年，在東京召開的國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會上，包括中國在內(nèi)的10國天文學(xué)家提出建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”。第二年，時任北京天文學(xué)會理事長的南仁東參與撰寫并發(fā)表了《大射電望遠(yuǎn)鏡國際合作計劃建議書》，并提出利用喀斯特洼地作為望遠(yuǎn)鏡臺址，建設(shè)巨型球面望遠(yuǎn)鏡。在貴州省喀斯特地形地區(qū)選址工作之后啟動。他出任首席科學(xué)家兼總工程師，主持完成FAST的立項、可行性研究及初步設(shè)計工作，主編科學(xué)目標(biāo)，指導(dǎo)各項關(guān)鍵技術(shù)的研究及其模型試驗。

　　2011年3月，F(xiàn)AST在貴州省平塘縣“大窩凼”洼地開工建設(shè)。2015年2月4日，F(xiàn)AST安裝了最后一根鋼索，索網(wǎng)制造和安裝工程結(jié)束。這意味著工程支撐框架建設(shè)完成，進(jìn)入了反射面面板拼裝階段。2015年11月21日，F(xiàn)AST饋源支撐系統(tǒng)進(jìn)行首次升艙試驗，6根鋼索拖動饋源艙提升108米，并進(jìn)行功能性測試。2016年7月3日，F(xiàn)AST最后一塊反射面單元成功吊裝，主體工程完工。兩個多月后，F(xiàn)AST落成并啟用。

　　由于設(shè)計和結(jié)構(gòu)均無先例可循，F(xiàn)AST不僅在建設(shè)階段遭遇重重困難，在調(diào)試階段也是如此。據(jù)FAST副總工程師李菂介紹，由于調(diào)試期間只能用“漂移掃描”方式進(jìn)行在脈沖星搜索，所以科研人員不得不重新設(shè)計相關(guān)軟件，而在數(shù)據(jù)處理上也要花費(fèi)更多時間和精力。FAST總工藝師王啟明透露說，團(tuán)隊在各分系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段遭遇分系統(tǒng)間通信、算法的統(tǒng)一、安全協(xié)調(diào)等一系列問題，通過集中商討、反復(fù)嘗試、白天黑夜連軸轉(zhuǎn)等高負(fù)荷、高強(qiáng)度勞動，逐個攻關(guān)成功。正是憑著這種拼搏勁頭，F(xiàn)AST在短短一年調(diào)試期間就收獲頗豐。

　　服務(wù)全球科學(xué)家

　　FAST初戰(zhàn)告捷，接下來的兩年，將繼續(xù)開展調(diào)試工作，而搜尋和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星仍是其核心科學(xué)目標(biāo)。一方面，F(xiàn)AST繼續(xù)在銀河系進(jìn)行掃描探測，發(fā)現(xiàn)更多信號暗弱、易被人造電磁干擾淹沒的脈沖星。隨著調(diào)試工作的進(jìn)展，其性能有望進(jìn)一步提升，它將有希望發(fā)現(xiàn)更多守時精準(zhǔn)的毫秒脈沖星，對脈沖星計時陣和探測引力波做出原創(chuàng)性貢獻(xiàn)。另一方面，F(xiàn)AST將把觀測范圍向銀河系外拓展。據(jù)悉，相關(guān)團(tuán)隊已經(jīng)在為觀測河外星系脈沖星做技術(shù)上的準(zhǔn)備，最早于2018年初開始進(jìn)行觀測嘗試。

　　FAST的建設(shè)和投入使用取得豐碩成果，把中國射電天文學(xué)推向世界最前沿，開啟了中國射電波段大科學(xué)裝置系統(tǒng)產(chǎn)生原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的新階段。“工欲善其事，必先利其器?！边@突出成就昭示我們，在當(dāng)今全球科技競爭空前激烈的新背景下，重大的科學(xué)突破離不開科研儀器的進(jìn)步。近年來，中國在天文學(xué)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，陸續(xù)建成了一批世界領(lǐng)先的高性能天文望遠(yuǎn)鏡，形成了凝視太空的中國望遠(yuǎn)鏡陣。

　　今年6月中旬，中國發(fā)射了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡。這是一臺已知計劃中世界最高靈敏度和最強(qiáng)空間分辨本領(lǐng)的空間硬X射線望遠(yuǎn)鏡，它實現(xiàn)了空間硬X射線高分辨巡天，發(fā)現(xiàn)大批高能天體和天體高能輻射新現(xiàn)象，并對黑洞、中子星等重要天體進(jìn)行高靈敏度定向觀測。

　　2012年10月低，亞洲最大的全方位可轉(zhuǎn)動射電望遠(yuǎn)鏡在上海天文臺正式落成。該望遠(yuǎn)鏡能夠觀測100多億光年以外的天體。此外，中國還建成世界上口徑最大的大視場望遠(yuǎn)鏡——郭守敬望遠(yuǎn)鏡、搭建南極準(zhǔn)空間天文觀測平臺。

　　特別值得一提的是，上述中國著力打造的具有世界先進(jìn)水平的天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)備將堅定奉行對外開放的原則，貢獻(xiàn)給全球科學(xué)家使用。從這個意義上來說，中國在天文學(xué)領(lǐng)域奮進(jìn)的的歷程，也同時開啟了世界科學(xué)家用中國原創(chuàng)的天文設(shè)備探索宇宙奧秘、推進(jìn)人類認(rèn)知的新時代。