編者按

2017年8月27日，“中國天眼”——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），第一次實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定天體的穩(wěn)定追蹤觀測(cè)，清晰捕捉到來自遙遠(yuǎn)宇宙深處的射電信號(hào)。這不僅僅是一個(gè)望遠(yuǎn)鏡的“睜眼”，更是人類探索宇宙能力的一次飛躍。

如今擔(dān)任著“中國天眼”總工程師的姜鵬，多年來投身于“中國天眼”的建設(shè)、調(diào)試與運(yùn)行工作中，將一個(gè)曾經(jīng)看似天馬行空的宏偉設(shè)想，一步步變成了屹立于貴州群山之中、令世界矚目的國之重器。

自主研發(fā)破解“卡脖子”難題

2009年，31歲的姜鵬博士畢業(yè)，來到中國科學(xué)院國家天文臺(tái)，加入了南仁東先生帶領(lǐng)的“中國天眼”建設(shè)團(tuán)隊(duì)。在建設(shè)初期，姜鵬和同事們經(jīng)常要到人跡罕至的貴州大山深處開展工作。那里沒有寬敞明亮的科研工作室，而且生活條件相當(dāng)艱苦，只能飲用地表水，居住在沒有空調(diào)、陰冷潮濕的狹窄板房里。除了要克服這些生活中的實(shí)際困難，他們還面臨著世界級(jí)科研難題。

2011年“中國天眼”工程正式開工建設(shè)，工期5年半，共2011天。對(duì)于這個(gè)體量巨大的工程而言，時(shí)間顯得尤為緊迫。姜鵬發(fā)現(xiàn)，許多技術(shù)挑戰(zhàn)比最初設(shè)想的要嚴(yán)峻得多。其中，最為棘手的便是索網(wǎng)的制造與安裝。

這張巨大的“天網(wǎng)”由6670根高強(qiáng)度鋼索精心編織而成。根據(jù)觀測(cè)需求，需要在球面和拋物面之間靈活變形，從而將來自宇宙深處的微弱射電信號(hào)高效地反射并聚焦到接收器上。鋼索上安裝著反射面板，這些面板需要能夠頻繁地調(diào)整角度，不斷承受拉伸應(yīng)力，同時(shí)，整套系統(tǒng)還必須保證至少30年的使用壽命。這對(duì)鋼索的強(qiáng)度、韌性和耐久性提出了極其嚴(yán)苛的考驗(yàn)。

起初，團(tuán)隊(duì)嘗試從市面上采購了10根鋼索，然而，在關(guān)鍵的疲勞試驗(yàn)環(huán)節(jié)，所有送檢的鋼索都未能通過測(cè)試，全部宣告失敗。

“索網(wǎng)的精度要求在5毫米以內(nèi)，”姜鵬后來回憶道，“5毫米的精度，在室內(nèi)小范圍制作，這并不算難事。但是，要在野外這種動(dòng)輒幾百米的巨大尺度上，保持5毫米以內(nèi)的精度，難度就完全不同了。”這其中的挑戰(zhàn)，不僅在于材料本身，更在于施工工藝和環(huán)境控制。

面對(duì)困境，姜鵬不分晝夜地深入研究鋼索的材質(zhì)特性，經(jīng)過反復(fù)論證，他提出必須采用一種全新的、性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的鋼索：其強(qiáng)度需要達(dá)到500兆帕，并且能夠承受高達(dá)200萬次的彎曲。這意味著，他們只能選擇自力更生，走自主研發(fā)的道路。

經(jīng)歷了近百次的失敗與挫折，團(tuán)隊(duì)成功研制出了具有超高耐疲勞性能的新型鋼索，這種“中國創(chuàng)造”的鋼索，成功支撐起了“中國天眼”望遠(yuǎn)鏡那如同“視網(wǎng)膜”般的球形反射面，從而徹底解決了這一關(guān)鍵技術(shù)的“卡脖子”難題。

2022年8月25日，姜鵬在“中國天眼”的總控室內(nèi)工作（維護(hù)保養(yǎng)期間拍攝）

來源 | 新華社

此外，團(tuán)隊(duì)還在“中國天眼”上研發(fā)并使用了世界最大跨度的柔性索驅(qū)動(dòng)饋源定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用6根鋼索和內(nèi)部并聯(lián)機(jī)器人，將重達(dá)30噸的饋源艙在140米高空、206米范圍內(nèi)，精準(zhǔn)控制在10毫米以內(nèi)。這使得“中國天眼”的靈敏度比德國100米望遠(yuǎn)鏡提高約10倍，能捕捉極其微弱的宇宙信號(hào)，極大增強(qiáng)了探索脈沖星、黑洞等未知領(lǐng)域的能力，成為名副其實(shí)的“千里眼”和“順風(fēng)耳”。這項(xiàng)高精度技術(shù)后來也被應(yīng)用于其他重大工程。

“中國天眼”夜景（維護(hù)保養(yǎng)期間拍攝）

來源 | 新華社

首批新脈沖星的發(fā)現(xiàn)

2016年9月25日，“中國天眼”正式落成啟用。它不僅在規(guī)模上打破了世界紀(jì)錄，成了當(dāng)之無愧的世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，更在核心技術(shù)上領(lǐng)先世界，其靈敏度達(dá)到了美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的2.25倍。

2017年10月，一個(gè)激動(dòng)人心的消息傳來——“中國天眼”取得的首批成果對(duì)外公布，已發(fā)現(xiàn)6顆脈沖星。這是中國科學(xué)家首次利用自己獨(dú)立研制的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星。經(jīng)過長達(dá)4年的精心調(diào)試周期，2020年1月，“中國天眼”正式向全球開放運(yùn)行。

“中國天眼”接收脈沖星信號(hào)示意圖

來源 | 新華社

很多人或許會(huì)認(rèn)為，“中國天眼”的科研成果是望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)“得來”的，但實(shí)際上并非如此。望遠(yuǎn)鏡最初傳回的只是一堆原始數(shù)據(jù)，只有經(jīng)過團(tuán)隊(duì)極其細(xì)致的研究和分析，才有可能從中挖掘出新的發(fā)現(xiàn)。正是由于這一過程的存在，“中國天眼”的建設(shè)完成并非終點(diǎn)，其持續(xù)、穩(wěn)定地運(yùn)行才顯得尤為重要。

目前“中國天眼”每年的觀測(cè)時(shí)間穩(wěn)定在5300小時(shí)左右，幾乎做到了“全年無休”。要實(shí)現(xiàn)這一高效率的運(yùn)行，保證望遠(yuǎn)鏡始終處于良好的技術(shù)狀態(tài)，背后需要大量細(xì)致的日常運(yùn)行維護(hù)工作。多年來，在姜鵬組織、帶領(lǐng)下，團(tuán)隊(duì)人員24小時(shí)現(xiàn)場(chǎng)值守，并深入研判貴州野外復(fù)雜多變的氣候，盡量規(guī)避天氣因素對(duì)觀測(cè)造成的影響，為“中國天眼”做好最有力的技術(shù)保障。

當(dāng)“中國天眼”團(tuán)隊(duì)在貴州的大窩凼里依然安靜而忙碌地工作時(shí)，全球各地的科學(xué)家們正利用“中國天眼”新提供的數(shù)據(jù)，不斷刷新著人類對(duì)宇宙的認(rèn)知邊界。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“中國天眼”自開工建設(shè)到完工、并投入科學(xué)運(yùn)行的十余年間，已經(jīng)幫助科學(xué)家們發(fā)表了超過300篇學(xué)術(shù)論文，發(fā)現(xiàn)了146顆脈沖星優(yōu)質(zhì)候選體，其中已經(jīng)確認(rèn)的有102顆。這些數(shù)字，僅僅是“中國天眼”未來輝煌成就的一個(gè)開端。

如今，“中國天眼”已經(jīng)不僅僅是一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，它更化作全球連接星際銀河的重要橋梁。作為我國擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大國重器，它正以自己的方式，向宇宙深處發(fā)出中國聲音。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜鵬：扎根深山之內(nèi)，探索光年之外[OL].光明網(wǎng),2023-05-31.

[2]一場(chǎng)踏過平庸的“長征”——“中國天眼”誕生之路 中國科學(xué)報(bào)[N].中國科學(xué)報(bào),2024-06-05.

[3]“中國天眼”，捕捉宇宙的“呢喃”[N].科普時(shí)報(bào),2024-02-22.

[4]“中國天眼”總工程師姜鵬：天眼從“最大”到“最靈敏”[N].新華社,2024-09-25.

[5]姜鵬：用心守護(hù)“中國天眼”[N].科技日?qǐng)?bào),2024-09-30.

中國科學(xué)家博物館出品

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