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第56集 “天眼”的建造历程

第56集 “天眼”的建造历程 0:00/0:00
最新发布时间: 2020-02-10   浏览数:
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  每一个喜欢星星的孩子,似乎都有一个天文梦。小时候,我们听着“数星星的孩子”的故事,幻想着自己有一天能成为张衡那样伟大的天文学家。美国天文学家卡尔·萨根也曾有过相关的描述,他说,每个人在幼年时都是科学家,因为每个孩子和科学家一样,对自然界的奇观满怀着好奇和敬畏。 

  今天,就让我们一起去寻找曾有过的梦想,认识一下新时代“数星星的孩子”,它就是500米口径球面射电望远镜,被誉为“中国天眼”。 

  说起“天眼”,我们先来认识一位已逝的老人。他就是我国天文学家南仁东。1994年,南仁东从美国观看阿雷西博望远镜之后,立志要修建一座中国的射电望远镜。这座望远镜的建造,涉及到世界科技进展中非常重要的一支——射电天文学。在20世纪60年代,四大天文发现中宇宙微波背景辐射、类星体、脉冲星和星际分子,都是利用射电望远镜才得以进行观测的。的确,天文学的真谛在于观测,没有一流的观测设备,就拿不到一手的观测数据,相关的实验和理论研究也就很难产生大的影响。正因为这样,时任中国科学院北京天文台副台长的南仁东才提出:在我国境内建造直径500米、世界最大的单口径射电望远镜。 

  当时,我国最大的射电望远镜口径只有30米。从30米到500米,这是个非常大胆的设想,看好这件事的人寥寥无几。因为建设这样大口径的射电望远镜已不仅仅是一个严密的科学工程,还是一个难度巨大的建设工程,它涉及天文学、力学、机械工程、电子学、测量与控制工程,甚至岩土工程等各个领域。整个工程从纸面设计到实际建造和运行,听起来是个遥不可及的构想。 

  当时人们最为普遍的质疑是“有合适的地方建造吗?施工难度怎么克服呢?”但南仁东认准了这件事儿。 

  从1994年开始,年近五旬的南仁东开始主持射电望远镜计划的推进工作。他大胆提出,利用我国贵州省的喀斯特洼地作为望远镜台址,建设巨型球面望远镜,并且立即启动贵州选址工作。 

  为了在贵州喀斯特地形区找到一个完美的洼地,南仁东拄着竹竿,挽着裤腿,爬上爬下。这样的勘测过程,长达12年。当时,南仁东带着300多幅卫星遥感图,跋涉在我国西南的大山里。为了选址,几乎踏遍了那里的所有洼地。最终经过多年的论证,射电望远镜选址定在贵州省平塘县的大窝凼洼地。这块洼地,有几百米的山洼被四面的山体环绕,正好挡住外面的电磁波。 

  南仁东一边选址,还要一边为工程立项奔波。他清楚地知道,要建一个500米口径的大家伙,世界上独一无二的大块头,需要大资金,必须得充分论证,尽快立项。不立项就没有钱,没有钱就没有团队,没有团队一切都是徒劳。 

  初期勘探结束后,南仁东四处奔跑推广建造计划,寻求技术上的合作。经历了最艰难的十多年,“天眼”工程逐渐有了名气,跟各大院校合作的技术也有了突破进展。2007年的7月份,“天眼”作为“十一五”重大科学装置正式被国家批准立项。“天眼”项目副总工程师李菂说道:“南老师的执著和直率最让我佩服。担起首席科学家和总工程师各种职责,推动了这个独一无二的项目。” 

  2011年“天眼”工程,正式开工建设了。作为项目首席科学家兼总工程师,南仁东亲自参与工程的每一个部分,因为来之不易,他要求做到:尽善尽美。在长达五年半的建设过程中,先后150多家国内企业、20余家科研单位、数千人的施工队伍相继投入天眼建设。这么大的射电望远镜建设,关键技术方面没有先例可循、关键材料急需攻关、现场施工环境非常复杂,工程的艰难程度远远超出想象。 

  在建造准备阶段,“天眼”工程曾遇到一场近乎灾难性的风险。据工程调试组组长、研究员姜鹏回忆说到,“在对购买的十余根钢索结构进行疲劳实验时,结果让人很沮丧,全部以失败告终,没有一例能满足要求。当时,台址开挖工程已经开始,设备基础工程迫在眉睫,可由于购买的材料达不到工程要求,反射面的结构形式就迟迟定不下来。” 

  为了解决这个问题,南仁东提出用弹簧作为弹性变形的载体,来解决钢索疲劳问题。但是在姜鹏看来,这个方法有些异想天开。事实证明,用弹簧仍然是行不通的。于是,南仁东决定转向钢索的研制。整个研制工作经历了近百次失败,几乎每一次,南仁东都亲临现场,沟通改进措施。最终,研制出满足要求的钢索结构,让“天眼”建造渡过了难关。 

  在整个工程建设中,南仁东带领团队实现了三项自主创新:一是利用贵州天然的喀斯特洼地作为台址;二是洼坑内铺设数千块单元,组成500米口径球形主动反射面;三是采用轻型索拖动机构和并联机器人,实现了望远镜接收机的高精度定位。 

  突破技术难题后,在2016年的9月份,这座500米口径球面射电望远镜,终于落成启用了。经过22年的设计、实施和修建,南仁东终于率领团队把图纸变成国之重器。 

  天眼从设计到技术,从材料到建造,“国产化”贯穿始终。“天眼”工程的孕育和诞生,烙印着让我们自豪的“中国制造”。最终建成的“天眼”拥有500米的口径、相当于30个足球场的接收面积。和德国波恩100米望远镜相比,灵敏度提高了大约10倍;比美国“阿雷西博”305米望远镜的综合性能,也提高了大约10倍。科学家打了个比方,有人在月亮上打手机,也逃不过它的“眼睛”。 

  借助这只巨大的“天眼”,科研人员可以窥探星际之间互动的信息,观测暗物质,测定黑洞质量,成为名副其实的“看星星的孩子”。“天眼”寻找脉冲星的表现,就像南仁东为它取的英文名字一样有着更深的寓意,英文名缩写“FAST”代表着迅速、敏锐。凭借多项技术突破,天眼成为世界射电望远镜中的佼佼者,这也为世界天文学的新发现提供了重要机遇。 

  目前,“天眼”经过紧张的调试工作,已经实现了跟踪、漂移扫描、运动中扫描等多种观测模式。随着接收装置的不断调试,天眼的巡天成像效率也将不断提升,下面我们来听听“天眼”启用后所取得的成就: 

  2017年10月,首次探测到数十个优质脉冲星候选体,其中6颗通过国际认证。这是天眼蹒跚稚嫩的第一步,是它载着我国天文学迈向星辰大海的第一步。 

  截至2018年底,中国天眼成功发现了59颗脉冲星,而其中有44颗脉冲星被确认是新发现的。如今,它依然在不断刷新脉冲星数量。它的宇宙信号搜索能力同样让世界震惊,其中有一颗毫秒级脉冲星,是世界上到今天为止发现的电流最弱的脉冲星。 

  2019年3月,和天马望远镜团队合作,首次成功实现联合观测,这意味着“天眼”具备了联合组网观测的能力。 

  2019年4月,“天眼”首次发现类地行星,它与人类近在咫尺,并且在规律性发出信号。我们知道,宇宙中其实是有很多的无线电磁信号,这些信号大部分来自一些特殊的天体,比如脉冲星,但还有一些信号可能是外星文明发出的。而“天眼”就是用来探测地外生命的重要工具之一,这也是人类首次通过探测信号源来发现和地球相类似的星体。 

  从“天眼”启动以来,的确取得了令人欣慰的成果。也为我国天文学领域研究,带来了新的突破和机遇。这些成果,属于总工程师南仁东和所有继续为“天眼”奋战的科研工作者。我们相信,“天眼”一定会探测到更多种类的星体,也希望这个“数星星的孩子”稳步成长。终有一天,它会不负众望获得更多天文观测成果,来回报天文学家的无私奉献,为人类文明进步做出贡献。 


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