我們頭頂?shù)暮棋强眨降撞刂裁疵孛埽坑钪嫔羁眨欠裨杏祟惏l(fā)展新的機會？
層巒疊嶂，翠林如海。在貴州省平塘縣的大山之間，一座恢弘大氣的單口徑球面射電望遠鏡靜靜佇立，凝望星空，帶著人類的好奇和期待，探尋百億光年之外的射電信號。
“中國天眼”全稱是500米口徑球面射電望遠鏡，簡稱FAST。FAST采用全新的設(shè)計理念，是當今世界最大的、最靈敏的單口徑球面射電望遠鏡，能夠在無線電波段搜索來自百億光年之外的微弱信號。
近日，本報記者采訪了“中國天眼”FAST總工程師姜鵬。作為守護“中國天眼”的“追星人”，姜鵬的主要研究方向為射電天文技術(shù)與方法，目前全面負責“中國天眼”運行和發(fā)展規(guī)劃的相關(guān)工作。讓我們聽聽姜鵬與“中國天眼”一起仰望星空的故事。
給FAST造一個“視網(wǎng)膜”
2009年，31歲的姜鵬剛剛博士畢業(yè)，意氣風發(fā)。
此時，他站在了人生的十字路口：一種選擇是繼續(xù)從事博士專業(yè)方向的深入研究；另一種是選擇一個全新有挑戰(zhàn)性的科研工作。
正猶豫時，姜鵬看到了“中國天眼”的招聘信息，瞬間來了興趣。
“當時在我看來，‘中國天眼’的建設(shè)非常大膽，極具挑戰(zhàn)性。”姜鵬對本報記者說，F(xiàn)AST望遠鏡幾乎滿足了自己對一個傳奇工程所有的期待和設(shè)想——最大的工程體量、超高的精度要求、極其特殊的工作方式，這些構(gòu)成了工程領(lǐng)域前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。
“我特別想知道這個項目準備如何實現(xiàn)，所以就想加入這個勇于創(chuàng)新的團隊。”姜鵬說。
毫不猶豫地投遞簡歷之后，姜鵬順利成為團隊中的一員。此后他便一頭扎進貴州的大山深處，開啟了與FAST相伴的14年人生。
FAST的建設(shè)有多難？
它不僅涉及天文學、力學、機械工程、結(jié)構(gòu)工程、電子學甚至巖土工程等幾十個不同專業(yè)領(lǐng)域，且關(guān)鍵技術(shù)無先例可循，關(guān)鍵材料急需攻關(guān)，現(xiàn)場施工環(huán)境也非常復雜。
對于FAST團隊而言，F(xiàn)AST的建設(shè)是“摸著石頭過河”，如何設(shè)計、如何實現(xiàn)，建成之后如何調(diào)試和使用……所有難題都只能靠建設(shè)團隊自己解決。
“這比我們一般認知的工程項目難太多了，很多事情都沒把握。”姜鵬說。
在FAST建設(shè)的初期，姜鵬接到的第一個任務(wù)，就讓他感到了壓力。
“當時FAST工程首席科學家兼總工程師南仁東老師問我，敢不敢承擔FAST建設(shè)的重點任務(wù)——索網(wǎng)工程。”姜鵬說，“簡單來說，就是給FAST這只‘天眼’裝一個‘視網(wǎng)膜’。由于我的專業(yè)是結(jié)構(gòu)力學，所以這個重任就交到了我手上。”
不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡，F(xiàn)AST的“視網(wǎng)膜”——球型反射面，是一張由6670根鋼索編制的索網(wǎng)，它需要在球面和拋面間頻繁進行變化，從而對天文信號進行收集和觀測。這對支撐FAST這口“大鍋”底部的鋼質(zhì)索網(wǎng)提出了非常高的要求。索網(wǎng)工程是FAST反射面實現(xiàn)變位功能的核心部件，也是施工的核心技術(shù)難點。
“一個500米跨度的望遠鏡，控制精度卻要達到2毫米，到底怎么實現(xiàn)？”帶著南仁東老師布置的課題，姜鵬反復琢磨，下決心做好這個沒有先例的建設(shè)工程。
工程啟動沒多久，團隊就遇到了一個大難關(guān)——索網(wǎng)疲勞問題。
常見的斜拉橋上的鋼索，其強度大都是200兆帕、200萬次彎曲的。由于“中國天眼”的鋼索上要裝上反射面板，需要反復變形，不斷拉伸；望遠鏡則至少需要應(yīng)用30年，這些，對鋼索提出了更高要求。經(jīng)過設(shè)計人員反復思考、計算后，提出了安裝強度為500兆帕、彎曲次數(shù)為200萬的鋼索的解決方案。
“當時，臺址開挖工程已經(jīng)開始，而上部結(jié)構(gòu)因為索網(wǎng)疲勞問題遲遲不能定型，工程實施迫在眉睫。”姜鵬說，那時他們從市面上買了數(shù)十根鋼索進行實驗，卻沒有一根能滿足要求。“怎么辦？如果問題不解決，整個望遠鏡建設(shè)就得停滯。商討之后，我們決定進行一次大規(guī)模的鋼索疲勞性能實驗研究。”
在南仁東的指導下，姜鵬帶領(lǐng)團隊，開始了一場長達兩年的大規(guī)模鋼索疲勞實驗。他們?nèi)找姑鳌⒎磸蜏y試實驗，經(jīng)歷了近百次失敗后，終于研制出超高耐疲勞鋼索，完成了索網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)工程。
作為主動反射面的主要支撐結(jié)構(gòu)，F(xiàn)AST的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)被視為當今世界跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
6670根主索、2225個主索節(jié)點及相同數(shù)量的下拉索，完整地拼出了FAST的索網(wǎng)。拼裝完成后，F(xiàn)AST的巨大反射面看起來就像一口“超級大鍋”，6個支撐塔高高豎起，網(wǎng)格逐漸爬滿了“鍋”底，向上延伸“咬住”環(huán)梁，反射面面板一圈一圈鋪滿索網(wǎng)的空隙，織完巨網(wǎng)。
這一索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是世界上第一個采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。也就是說，促動器根據(jù)力學模型信息，控制下拉索改變索網(wǎng)的形狀，根據(jù)觀測天體的方位，啟動促動器控制下拉索，在FAST反射面的不同區(qū)域形成直徑為300米的瞬時拋物面，以實現(xiàn)精確觀測。
“中國天眼”是南仁東留給祖國的驕傲
1993年，國際無線電科學聯(lián)盟大會在日本京都舉行，南仁東也去參加了大會。
在現(xiàn)場，有科學家提出，在全球電波環(huán)境繼續(xù)惡化之前，人類應(yīng)該建造新一代射電天文望遠鏡，接收更多外太空的訊息。
聽到這個消息，時年近50歲的南仁東興奮不已：“如果能抓住這個時機，中國的天文學研究就有可能領(lǐng)先國際幾十年。”“建造新一代射電天文望遠鏡”這個大膽的設(shè)想油然而生。一向低調(diào)的南仁東坐不住了，跑去找到中國參會代表吳盛殷，激動地說：“咱們中國也建一個吧！”
然而，對上世紀90年代初的中國而言，大射電望遠鏡的建造計劃，大膽得近乎瘋狂。無論地質(zhì)條件、技術(shù)條件，還是工程成本都難以達到。因此，幾乎所有業(yè)內(nèi)專家都不看好這個項目。
盡管如此，天生倔強又愛迎接挑戰(zhàn)的南仁東，決定堅持這個計劃。
對南仁東而言，最艱難的是申請立項那段時間，他深知之前的選址和論證環(huán)節(jié)，已耗費了大家數(shù)年時間和精力，接下來立項必須成功。否則，便意味著先前的所有工作都是白費。
于是，南仁東開始自掏路費，從東北到東南再到西北，一家單位一家單位去談。最終，在他的努力下，厚厚的立項申請書上出現(xiàn)了20多個合作單位的名字。為找到一個合適的臺址，南仁東用了10余年時間走遍了貴州的山山水水，實地考察了幾十個窩凼。
終于，2007年7月，F(xiàn)AST作為“十一五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施正式被國家批準立項。從那一天起，F(xiàn)AST就如同其英文縮寫的含義（快速）一樣，開始了快速建設(shè)之旅。
“南老師當時對我說，中國的射電天文學研究起步比國際上其他國家晚了許多年。起步比別人晚，就要比別人花時間多一點、走得快一點，否則永遠趕不上。”回憶起南仁東，姜鵬給本報記者講了這樣一個故事。有一次，姜鵬項目組遇到一次比較大的變動，南仁東把他叫到辦公室問：“姜鵬，你說你一個剛畢業(yè)兩年的小年輕，我能完全相信你嗎？”姜鵬沉默了半晌，一字一句地回答：“南老師，我覺得你可以信任我。”
在FAST建設(shè)啟動后，南仁東逐漸把調(diào)試和運行“中國天眼”的重任，交給FAST的新一代年輕科學家和工程師們。2016年9月25日，“中國天眼”正式落成。1年后，南仁東因病去世，享年72歲。姜鵬說，“中國天眼”，是南仁東老師留給祖國的驕傲。
南仁東還有幾句詩，寫給了他自己，以及自己最愛的祖國：
“美麗的宇宙太空，
以它的神秘和絢麗，
召喚我們踏過平庸，
進入它無垠的廣袤……”
FAST建成后，很快進入調(diào)試階段，姜鵬接棒南仁東成為第二任總工程師，繼續(xù)帶領(lǐng)團隊攻克一道又一道難關(guān)。
在他看來，這是一個沒有硝煙的戰(zhàn)場。FAST全新的設(shè)計理念注定了團隊不可能有任何成功的經(jīng)驗可供參考，他們必須建立適用于FAST特殊工作方式的測量控制方法體系。為此，姜鵬連續(xù)3個春節(jié)帶領(lǐng)團隊奮戰(zhàn)在項目現(xiàn)場。
2019年春節(jié)，在別人萬家燈火的時候，F(xiàn)AST團隊幾乎每天都要工作到凌晨三四點。有位核心成員為了保證項目進度，沒時間回家，甚至把懷有身孕的妻子接到現(xiàn)場照料。
功夫不負有心人，2017年8月，F(xiàn)AST第一次實現(xiàn)了對固定目標源的跟蹤；2019年4月通過工藝驗收并向中國國內(nèi)天文學家試開放；2020年1月通過國家驗收，正式開放運行。
FAST建設(shè)和調(diào)試的快速成功，離不開其背后的科研團隊和建設(shè)團隊十年如一日奮斗在科研一線的執(zhí)著和熱情。
說起自己的團隊成員，姜鵬開玩笑說：“我們是一群只知道干活，不知道其他的‘傻小子’。有一句最能體現(xiàn)我們團隊精神的話，那就是——一群‘傻小子’靠著自己的‘傻’勁把事兒干成了！”
姜鵬認為，科研工作有3個特點，首先是不一定能成功，但是“不成功”的科研不一定不是好科研，科研就是要去探索一切可能性，不斷試錯。其次是工作時間和周期很長，不能急功近利，需要沉住氣、耐下心，精益求精打磨才能有所進展。“我們不能總是放大1天時間的作用，而忽略1年時間積累的力量。”姜鵬說，“只有方向選對，持續(xù)堅持，隨著時間的推移，你會很快發(fā)現(xiàn)，持之以恒者會把隨波逐流者和急功近利者甩出很遠。”科研的第三個特點是科研工作者必須堅持在一線，一線才是科研工作者的陣地和戰(zhàn)場，是他們應(yīng)該常駐的地方。
“作為一名科研工作者，我認為最重要的品質(zhì)是求真和務(wù)實。很多科研工作不是立馬就能見到成效，這就需要我們這些科研人員，忍受得了長期寂寞，坐得了冷板凳，這些都是科技工作者尤其是在一線的奮斗者們需要具備的優(yōu)良品質(zhì)。”姜鵬對本報記者說，“科研一線是產(chǎn)生科學價值的前沿陣地，我認為要保證一線科研人員的熱情，這是非常重要的。我現(xiàn)在努力在做的就是讓更優(yōu)秀的科技人才安心、有意愿地留在科研一線。”
保持清醒才能持續(xù)領(lǐng)先
有天文愛好者曾經(jīng)好奇地問，F(xiàn)AST到底“快”在哪里？
FAST快在安全高效，沒有延期一天。工程建設(shè)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，歷時2011天，全程沒有出過重大安全事故。
FAST快在調(diào)試期不到兩年。“要知道即便一架傳統(tǒng)的望遠鏡調(diào)試周期在國際上都很少低于4年，而我們僅用時2年左右就完成這架極其復雜的系統(tǒng)的調(diào)試任務(wù)。”姜鵬說。
FAST快在調(diào)試階段就已開始進行早期科學研究。在不斷校準“中國天眼”的“視力”過程中，中國天文學家們爭分奪秒地開展科學觀測。在望遠鏡還不能移動的情況下，他們就采用漂移掃描的方式，讓地球自轉(zhuǎn)帶著“中國天眼”巡天。建成還不到一年，F(xiàn)AST就實現(xiàn)了精確跟蹤觀測模式，驗證了它超高的靈敏度和望遠鏡效率。
FAST快在調(diào)試階段就開始系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)新脈沖星。這歸功于科學團隊提前準備，對團隊成員進行了相應(yīng)的觀測及數(shù)據(jù)處理訓練，開發(fā)了數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)庫……
FAST到底強在哪里？
FAST的關(guān)鍵技術(shù)成果可應(yīng)用于諸多相關(guān)領(lǐng)域，如大尺度結(jié)構(gòu)工程、公里范圍高精度動態(tài)測量、大型工業(yè)機器人研制以及多波束接收機裝置等。
FAST把中國空間測控能力由地球同步軌道延伸至太陽系外緣，將深空通訊數(shù)據(jù)下行速率提高幾十倍。FAST將脈沖星測時精度提升數(shù)倍，可以觀測組建國際上最精確的脈沖星計時陣、建造脈沖星鐘，為自主導航這一前瞻性研究打下基礎(chǔ)。
作為一個多學科基礎(chǔ)研究平臺，F(xiàn)AST憑借其超強的靈敏度，有能力將中性氫觀測延伸至宇宙邊緣，觀測暗物質(zhì)和暗能量，能研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物理規(guī)律；有希望發(fā)現(xiàn)奇異星和夸克星物質(zhì)，發(fā)現(xiàn)中子星以及黑洞雙星，無需依賴模型精確測定黑洞質(zhì)量；可用于搜尋識別可能的星際通訊信號，尋找地外文明……
近年來，基于FAST開放數(shù)據(jù)產(chǎn)出的高水平論文已經(jīng)超過150篇，發(fā)現(xiàn)的脈沖星總數(shù)超過780顆，是國際上同一時期所有其他望遠鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星總數(shù)的3倍以上，在脈沖星物理、快速射電暴起源、星系的形成和演化等領(lǐng)域產(chǎn)出一系列具有國際影響力的科學成果，有多篇論文在《自然》雜志上發(fā)表，有2篇論文在《科學》雜志上發(fā)表，其中一篇關(guān)于快速射電暴的成果入選《自然》、《科學》評選的2020年世界十大科學發(fā)現(xiàn)和突破。
在姜鵬看來，天文學是浪漫的，可是天文儀器領(lǐng)域的競爭卻是殘酷的。姜鵬對本報記者說：“天文學競爭還是相對激烈的，我們要有危機意識。如果把視線方向調(diào)向未來，我們要保持足夠的清醒，扎扎實實解決關(guān)鍵問題，不斷提升望遠鏡的性能，只有這樣才有可能在日趨激烈的國際競爭背景下保持FAST來之不易的領(lǐng)先優(yōu)勢。”
談及如何延續(xù)FAST的輝煌，姜鵬表示，首先要持續(xù)提升FAST的性能。對FAST這種望遠鏡來講，提升性能包括幾方面，一方面是它的視場覆蓋范圍，需要在接收機技術(shù)方面有所突破，目前，正在努力地攻關(guān)。同時，從單口徑望遠鏡來講，在分辨能力上還是有它的局限性，所以陣列望遠鏡的推進，可能是一個很好的解決方案，需要找一個性價比極高，同時又具備優(yōu)良性能的陣列方案。估計2023年或者2024年會啟動先導陣列的一些試驗，驗證先導陣列方案的可行性，包括做一些技術(shù)儲備、成像能力、綜合口徑成像測試。
說起“中國天眼”團隊奮斗的感受，姜鵬在十四屆全國人大一次會議第二場“代表通道”的采訪中說：“我們目光之所及是星辰大海，但我們走過的每一步路都是腳踏實地。”
