“天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？”中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)期詩(shī)人屈原在他創(chuàng)作的長(zhǎng)詩(shī)《天問(wèn)》中面對(duì)宇宙星空發(fā)出驚天一問(wèn)。面對(duì)未知的宇宙星空，古今中外的科學(xué)家制作了一批又一批精巧、宏偉、雅致的天文儀器，從中國(guó)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(tái)望遠(yuǎn)鏡，再到阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡、“中國(guó)天眼”等，拉近了人類(lèi)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(yuǎn)鏡(簡(jiǎn)稱FAST)，有“中國(guó)天眼”的美譽(yù)。作為世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——“中國(guó)天眼”為何能吸引全世界的目光？中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、“中國(guó)天眼”總工程師姜鵬近日接受中新社“東西問(wèn)”獨(dú)家專訪，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)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(yuǎn)鏡(FAST)。中新社記者 瞿宏倫 攝
現(xiàn)將訪談實(shí)錄摘要如下：
中新社記者：“中國(guó)天眼”建設(shè)初衷是什么？
姜鵬：FAST最初被國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)棄用后，走上中國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)道路。以南仁東先生為代表的中國(guó)科學(xué)家開(kāi)始FAST的建設(shè)探索，開(kāi)啟了“把不可能變成可能”的征途。最初從發(fā)展推動(dòng)“十一五”大科學(xué)裝置來(lái)立項(xiàng)，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(yuǎn)鏡。
FAST建設(shè)的初衷就是在地球電磁波環(huán)境還能進(jìn)行天文觀測(cè)的時(shí)候進(jìn)行天文研究。FAST最早起源于一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目。在1993年京都舉行國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)合會(huì)上，包括中國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)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(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST是方案之一。當(dāng)時(shí)主要有兩個(gè)論點(diǎn)：一種是建一堆小的，口徑10米、20米；另一種是建設(shè)類(lèi)似FAST的大型望遠(yuǎn)鏡。因?yàn)閲?guó)際上認(rèn)為單口徑大射電望遠(yuǎn)鏡風(fēng)險(xiǎn)較大且有區(qū)域限制等，F(xiàn)AST未被“LT”(大口徑射電望遠(yuǎn)鏡)實(shí)施方案選中。后來(lái)建一堆小望遠(yuǎn)鏡成為國(guó)際主流，也就是“SKA”平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡。
資料圖：“中國(guó)天眼”總控室一隅。中新社記者 瞿宏倫 攝
中新社記者：與國(guó)外不同類(lèi)型天文望遠(yuǎn)鏡相比，“中國(guó)天眼”的特色和優(yōu)勢(shì)在哪里？
姜鵬：FAST是當(dāng)今射電天文學(xué)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(huì)匯聚到焦點(diǎn)的位置。對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)，把反射面做成拋物面的形狀，然后在焦點(diǎn)位置放置一臺(tái)接收機(jī)，就可以收集天體發(fā)出的電磁波信號(hào)，從而進(jìn)行天文觀測(cè)。拋物面的面積越大，匯集的信號(hào)就越多，也就越能探測(cè)到更暗弱、更遙遠(yuǎn)的天體。
FAST是一個(gè)全新的望遠(yuǎn)鏡概念，它的設(shè)計(jì)方案是從來(lái)沒(méi)有過(guò)的，這也是它能突破傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡百米口徑工程極限的前提。對(duì)望遠(yuǎn)鏡而言，靈敏度是最關(guān)鍵指標(biāo)之一。FAST巨大口徑帶來(lái)高靈敏度，探測(cè)暗弱信號(hào)能力更強(qiáng)，可以極大擴(kuò)展可觀測(cè)量樣本數(shù)量，同時(shí)可以看到更遙遠(yuǎn)的天文學(xué)現(xiàn)象。
FAST的設(shè)計(jì)不同于世界上已有的單口徑射電望遠(yuǎn)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(dòng)反射面，可以改變形狀，一會(huì)兒是球面，一會(huì)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(dòng)器上，通過(guò)操縱促動(dòng)器，拉動(dòng)下拉索來(lái)改變索網(wǎng)形狀，從而對(duì)天文信號(hào)進(jìn)行收集和觀測(cè)。
饋源艙也是一個(gè)大膽的突破性設(shè)計(jì)。FAST采用全新的輕型索驅(qū)動(dòng)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(cè)更豐富的宇宙電磁波。饋源艙重約30噸。體積小帶來(lái)有效減少光路遮擋、減少干擾信號(hào)等多方面優(yōu)勢(shì)，更有利于天文觀測(cè)。
目前，F(xiàn)AST已經(jīng)實(shí)現(xiàn)跟蹤、漂移、運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)毫米級(jí)精度，難度相當(dāng)大。測(cè)量基準(zhǔn)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(yuǎn)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(guó)建造的射電望遠(yuǎn)鏡第一次在靈敏度上占據(jù)制高點(diǎn)。另外，19波束已經(jīng)完成安裝，其意義也非常重大：可將望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)擴(kuò)大至原來(lái)的19倍，大幅提升望遠(yuǎn)鏡巡天效率。
資料圖：在FAST圈梁上魚(yú)眼鏡頭拍攝的“中國(guó)天眼”。中新社記者 孫自法 攝
中新社記者：海內(nèi)外科學(xué)家對(duì)“中國(guó)天眼”的落成啟用寄予厚望，它的成果對(duì)科學(xué)前沿實(shí)現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展有何意義？
姜鵬：FAST的落成啟用將為海內(nèi)外的科學(xué)家提供一個(gè)機(jī)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(guò)500顆，是同一時(shí)期國(guó)際上所有其它望遠(yuǎn)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(dá)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(shí)鐘。因此，基于脈沖星測(cè)時(shí)研究，不僅有可能建立“宇宙導(dǎo)航系統(tǒng)”，有助于人類(lèi)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)星際旅行的夢(mèng)想，還可能發(fā)現(xiàn)低頻引力波，這將打開(kāi)天文學(xué)觀測(cè)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(dǎo)作用。此外，發(fā)現(xiàn)的500余顆脈沖星，也是巨大的寶藏，未來(lái)我們將持續(xù)對(duì)它們進(jìn)行后隨觀測(cè)，以揭開(kāi)它們更深層的秘密。
但是我們必須明白，更加重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)也是需要運(yùn)氣支撐的。我們擴(kuò)展了可觀測(cè)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(cè)到低頻引力波，包括對(duì)臨近星系M31進(jìn)行觀測(cè)，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(shí)來(lái)檢驗(yàn)。
對(duì)于FAST，我們還在做一些技術(shù)方面研究，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升性能，如發(fā)展新測(cè)量技術(shù)、提高頻率、發(fā)展新接收機(jī)技術(shù)等來(lái)解決一些難題。在測(cè)量技術(shù)方面也有一些考慮，如采用微波測(cè)距技術(shù)代替光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，以做到全天候高精度測(cè)量控制，從而確保FAST穩(wěn)定運(yùn)行。
資料圖：“中國(guó)天眼”征集觀測(cè)申請(qǐng)網(wǎng)頁(yè)。中新社記者 瞿宏倫 攝
中新社記者：“中國(guó)天眼”已對(duì)全球科學(xué)家開(kāi)放，目前的申請(qǐng)觀測(cè)情況如何？未來(lái)在加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外開(kāi)放共享等方面有哪些構(gòu)想？
姜鵬：FAST向世界全面開(kāi)放，彰顯了中國(guó)與國(guó)際科學(xué)界充分合作的理念。在開(kāi)放合作中，中國(guó)的科學(xué)重器將更好地發(fā)揮效能，促進(jìn)重大成果產(chǎn)出，為全人類(lèi)探索和認(rèn)識(shí)宇宙作出貢獻(xiàn)。
截至目前，國(guó)外科學(xué)家已有30余份申請(qǐng)約800個(gè)機(jī)時(shí)，已有一半左右的申請(qǐng)機(jī)時(shí)得到支持。國(guó)外的申請(qǐng)觀測(cè)主要是探測(cè)脈沖星等，基本與國(guó)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(lái)說(shuō)國(guó)外申請(qǐng)觀測(cè)的分布比較正常，具體在觀測(cè)細(xì)節(jié)上會(huì)有中外差異。
國(guó)內(nèi)外科學(xué)家在FAST使用及觀測(cè)的科研是一個(gè)相互學(xué)習(xí)的過(guò)程。在FAST的調(diào)試階段，中國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)就已同國(guó)外科學(xué)家有很多接觸，一些著名的研究員也是從國(guó)外引進(jìn)以開(kāi)展技術(shù)交流合作?？烧f(shuō)，F(xiàn)AST的國(guó)際交流與合作目前處于一個(gè)比較正常和理想的狀態(tài)。
國(guó)家指導(dǎo)下，F(xiàn)AST正在進(jìn)行一些國(guó)際開(kāi)放的工作。隨著時(shí)間推移，F(xiàn)AST開(kāi)放程度可能會(huì)越來(lái)越高，伴隨科學(xué)家對(duì)FAST性能的理解，相信以后國(guó)外申請(qǐng)的競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)更加激烈。
天文學(xué)本就是一個(gè)比較開(kāi)放的學(xué)科，因?yàn)樗且粋€(gè)滿足人類(lèi)好奇心的學(xué)科，對(duì)人類(lèi)現(xiàn)在的生存條件或者切身利益關(guān)聯(lián)性不大。FAST的國(guó)際合作一直都有，包括現(xiàn)在一些項(xiàng)目研究，也有國(guó)外團(tuán)隊(duì)在做支撐。FAST的數(shù)據(jù)在合作開(kāi)放后，國(guó)外科學(xué)家也可以有同等權(quán)利對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
FAST的預(yù)期目標(biāo)，就是加大前沿方向探索，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外開(kāi)放共享，推動(dòng)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(dòng)人類(lèi)對(duì)宇宙的探索和認(rèn)知。(完)
受訪者簡(jiǎn)介：
姜鵬，1978年12月出生，固體力學(xué)博士?，F(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樯潆娞煳募夹g(shù)。目前擔(dān)任“中國(guó)天眼”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)總工程師，全面負(fù)責(zé)FAST望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行和維護(hù)的相關(guān)技術(shù)工作，是長(zhǎng)期工作在該工程一線的青年代表，為推動(dòng)FAST通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收做出重要貢獻(xiàn)。目前，姜鵬作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目9項(xiàng)；已發(fā)表論文50余篇，獲得授權(quán)專利近30項(xiàng)；組織出版FAST調(diào)試運(yùn)行期間的相關(guān)成果專刊2部。
關(guān)鍵詞： 射電望遠(yuǎn)鏡 總工程師 國(guó)家天文臺(tái)
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