與“中國天眼”一起仰望星空（“四深”領(lǐng)域這樣創(chuàng )新②）

我們頭頂的浩瀚星空，到底藏著(zhù)什么秘密？宇宙深空，是否孕育著(zhù)人類(lèi)發(fā)展新的機會(huì )？

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(zhù)人類(lèi)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(chēng)是500米口徑球面射電望遠鏡，簡(jiǎn)稱(chēng)FAST。FAST采用全新的設計理念，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(wú)線(xiàn)電波段搜索來(lái)自百億光年之外的微弱信號。

近日，本報記者采訪(fǎng)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)展規劃的相關(guān)工作。讓我們聽(tīng)聽(tīng)姜鵬與“中國天眼”一起仰望星空的故事。

給FAST造一個(gè)“視網(wǎng)膜”

2009年，31歲的姜鵬剛剛博士畢業(yè)，意氣風(fēng)發(fā)。

此時(shí)，他站在了人生的十字路口：一種選擇是繼續從事博士專(zhuān)業(yè)方向的深入研究；另一種是選擇一個(gè)全新有挑戰性的科研工作。

正猶豫時(shí)，姜鵬看到了“中國天眼”的招聘信息，瞬間來(lái)了興趣。

“當時(shí)在我看來(lái)，‘中國天眼’的建設非常大膽，極具挑戰性?！苯i對本報記者說(shuō)，FAST望遠鏡幾乎滿(mǎn)足了自己對一個(gè)傳奇工程所有的期待和設想——最大的工程體量、超高的精度要求、極其特殊的工作方式，這些構成了工程領(lǐng)域前所未有的技術(shù)挑戰。

“我特別想知道這個(gè)項目準備如何實(shí)現，所以就想加入這個(gè)勇于創(chuàng )新的團隊?！苯i說(shuō)。

毫不猶豫地投遞簡(jiǎn)歷之后，姜鵬順利成為團隊中的一員。此后他便一頭扎進(jìn)貴州的大山深處，開(kāi)啟了與FAST相伴的14年人生。

FAST的建設有多難？

它不僅涉及天文學(xué)、力學(xué)、機械工程、結構工程、電子學(xué)甚至巖土工程等幾十個(gè)不同專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，且關(guān)鍵技術(shù)無(wú)先例可循，關(guān)鍵材料急需攻關(guān)，現場(chǎng)施工環(huán)境也非常復雜。

對于FAST團隊而言，FAST的建設是“摸著(zhù)石頭過(guò)河”，如何設計、如何實(shí)現，建成之后如何調試和使用……所有難題都只能靠建設團隊自己解決。

“這比我們一般認知的工程項目難太多了，很多事情都沒(méi)把握?！苯i說(shuō)。

在FAST建設的初期，姜鵬接到的第一個(gè)任務(wù)，就讓他感到了壓力。

“當時(shí)FAST工程首席科學(xué)家兼總工程師南仁東老師問(wèn)我，敢不敢承擔FAST建設的重點(diǎn)任務(wù)——索網(wǎng)工程?！苯i說(shuō)，“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是給FAST這只‘天眼’裝一個(gè)‘視網(wǎng)膜’。由于我的專(zhuān)業(yè)是結構力學(xué)，所以這個(gè)重任就交到了我手上?！?/p>

不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡，FAST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(jìn)行變化，從而對天文信號進(jìn)行收集和觀(guān)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(shí)現變位功能的核心部件，也是施工的核心技術(shù)難點(diǎn)。

“一個(gè)500米跨度的望遠鏡，控制精度卻要達到2毫米，到底怎么實(shí)現？”帶著(zhù)南仁東老師布置的課題，姜鵬反復琢磨，下決心做好這個(gè)沒(méi)有先例的建設工程。

工程啟動(dòng)沒(méi)多久，團隊就遇到了一個(gè)大難關(guān)——索網(wǎng)疲勞問(wèn)題。

常見(jiàn)的斜拉橋上的鋼索，其強度大都是200兆帕、200萬(wàn)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用30年，這些，對鋼索提出了更高要求。經(jīng)過(guò)設計人員反復思考、計算后，提出了安裝強度為500兆帕、彎曲次數為200萬(wàn)的鋼索的解決方案。

“當時(shí)，臺址開(kāi)挖工程已經(jīng)開(kāi)始，而上部結構因為索網(wǎng)疲勞問(wèn)題遲遲不能定型，工程實(shí)施迫在眉睫?！苯i說(shuō)，那時(shí)他們從市面上買(mǎi)了數十根鋼索進(jìn)行實(shí)驗，卻沒(méi)有一根能滿(mǎn)足要求?！霸趺崔k？如果問(wèn)題不解決，整個(gè)望遠鏡建設就得停滯。商討之后，我們決定進(jìn)行一次大規模的鋼索疲勞性能實(shí)驗研究?！?/p>

在南仁東的指導下，姜鵬帶領(lǐng)團隊，開(kāi)始了一場(chǎng)長(cháng)達兩年的大規模鋼索疲勞實(shí)驗。他們日夜摸索、反復測試實(shí)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)結構建設工程。

作為主動(dòng)反射面的主要支撐結構，FAST的索網(wǎng)結構被視為當今世界跨度最大、精度最高的索網(wǎng)結構。

6670根主索、2225個(gè)主索節點(diǎn)及相同數量的下拉索，完整地拼出了FAST的索網(wǎng)。拼裝完成后，FAST的巨大反射面看起來(lái)就像一口“超級大鍋”，6個(gè)支撐塔高高豎起，網(wǎng)格逐漸爬滿(mǎn)了“鍋”底，向上延伸“咬住”環(huán)梁，反射面面板一圈一圈鋪滿(mǎn)索網(wǎng)的空隙，織完巨網(wǎng)。

這一索網(wǎng)結構，是世界上第一個(gè)采用變位工作方式的索網(wǎng)體系。也就是說(shuō)，促動(dòng)器根據力學(xué)模型信息，控制下拉索改變索網(wǎng)的形狀，根據觀(guān)測天體的方位，啟動(dòng)促動(dòng)器控制下拉索，在FAST反射面的不同區域形成直徑為300米的瞬時(shí)拋物面，以實(shí)現精確觀(guān)測。

“中國天眼”是南仁東留給祖國的驕傲

1993年，國際無(wú)線(xiàn)電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì )在日本京都舉行，南仁東也去參加了大會(huì )。

在現場(chǎng)，有科學(xué)家提出，在全球電波環(huán)境繼續惡化之前，人類(lèi)應該建造新一代射電天文望遠鏡，接收更多外太空的訊息。

聽(tīng)到這個(gè)消息，時(shí)年近50歲的南仁東興奮不已：“如果能抓住這個(gè)時(shí)機，中國的天文學(xué)研究就有可能領(lǐng)先國際幾十年?！薄敖ㄔ煨乱淮潆娞煳耐h鏡”這個(gè)大膽的設想油然而生。一向低調的南仁東坐不住了，跑去找到中國參會(huì )代表吳盛殷，激動(dòng)地說(shuō)：“咱們中國也建一個(gè)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(wú)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)內專(zhuān)家都不看好這個(gè)項目。

盡管如此，天生倔強又愛(ài)迎接挑戰的南仁東，決定堅持這個(gè)計劃。

對南仁東而言，最艱難的是申請立項那段時(shí)間，他深知之前的選址和論證環(huán)節，已耗費了大家數年時(shí)間和精力，接下來(lái)立項必須成功。否則，便意味著(zhù)先前的所有工作都是白費。

于是，南仁東開(kāi)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(shū)上出現了20多個(gè)合作單位的名字。為找到一個(gè)合適的臺址，南仁東用了10余年時(shí)間走遍了貴州的山山水水，實(shí)地考察了幾十個(gè)窩凼。

終于，2007年7月，FAST作為“十一五”重大科技基礎設施正式被國家批準立項。從那一天起，FAST就如同其英文縮寫(xiě)的含義（快速）一樣，開(kāi)始了快速建設之旅。

“南老師當時(shí)對我說(shuō)，中國的射電天文學(xué)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(shí)間多一點(diǎn)、走得快一點(diǎn)，否則永遠趕不上?！被貞浧鹉先蕱|，姜鵬給本報記者講了這樣一個(gè)故事。有一次，姜鵬項目組遇到一次比較大的變動(dòng)，南仁東把他叫到辦公室問(wèn)：“姜鵬，你說(shuō)你一個(gè)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(jué)得你可以信任我?！?/p>

在FAST建設啟動(dòng)后，南仁東逐漸把調試和運行“中國天眼”的重任，交給FAST的新一代年輕科學(xué)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(shuō)，“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(shī)，寫(xiě)給了他自己，以及自己最?lèi)?ài)的祖國：

“美麗的宇宙太空，

以它的神秘和絢麗，

召喚我們踏過(guò)平庸，

進(jìn)入它無(wú)垠的廣袤……”

FAST建成后，很快進(jìn)入調試階段，姜鵬接棒南仁東成為第二任總工程師，繼續帶領(lǐng)團隊攻克一道又一道難關(guān)。

在他看來(lái)，這是一個(gè)沒(méi)有硝煙的戰場(chǎng)。FAST全新的設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3個(gè)春節帶領(lǐng)團隊奮戰在項目現場(chǎng)。

2019年春節，在別人萬(wàn)家燈火的時(shí)候，FAST團隊幾乎每天都要工作到凌晨三四點(diǎn)。有位核心成員為了保證項目進(jìn)度，沒(méi)時(shí)間回家，甚至把懷有身孕的妻子接到現場(chǎng)照料。

功夫不負有心人，2017年8月，FAST第一次實(shí)現了對固定目標源的跟蹤；2019年4月通過(guò)工藝驗收并向中國國內天文學(xué)家試開(kāi)放；2020年1月通過(guò)國家驗收，正式開(kāi)放運行。

FAST建設和調試的快速成功，離不開(kāi)其背后的科研團隊和建設團隊十年如一日奮斗在科研一線(xiàn)的執著(zhù)和熱情。

說(shuō)起自己的團隊成員，姜鵬開(kāi)玩笑說(shuō)：“我們是一群只知道干活，不知道其他的‘傻小子’。有一句最能體現我們團隊精神的話(huà)，那就是——一群‘傻小子’靠著(zhù)自己的‘傻’勁把事兒干成了！”

姜鵬認為，科研工作有3個(gè)特點(diǎn)，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(shí)間和周期很長(cháng)，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(jìn)展?！拔覀儾荒芸偸欠糯?天時(shí)間的作用，而忽略1年時(shí)間積累的力量?！苯i說(shuō)，“只有方向選對，持續堅持，隨著(zhù)時(shí)間的推移，你會(huì )很快發(fā)現，持之以恒者會(huì )把隨波逐流者和急功近利者甩出很遠?！笨蒲械牡谌齻€(gè)特點(diǎn)是科研工作者必須堅持在一線(xiàn)，一線(xiàn)才是科研工作者的陣地和戰場(chǎng)，是他們應該常駐的地方。

“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(shí)。很多科研工作不是立馬就能見(jiàn)到成效，這就需要我們這些科研人員，忍受得了長(cháng)期寂寞，坐得了冷板凳，這些都是科技工作者尤其是在一線(xiàn)的奮斗者們需要具備的優(yōu)良品質(zhì)?！苯i對本報記者說(shuō)，“科研一線(xiàn)是產(chǎn)生科學(xué)價(jià)值的前沿陣地，我認為要保證一線(xiàn)科研人員的熱情，這是非常重要的。我現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(xiàn)?！?/p>

保持清醒才能持續領(lǐng)先

有天文愛(ài)好者曾經(jīng)好奇地問(wèn)，FAST到底“快”在哪里？

FAST快在安全高效，沒(méi)有延期一天。工程建設從2011年3月5日開(kāi)工報告批復之日起，到2016年9月25日如期竣工，歷時(shí)2011天，全程沒(méi)有出過(guò)重大安全事故。

FAST快在調試期不到兩年?！耙兰幢阋患軅鹘y的望遠鏡調試周期在國際上都很少低于4年，而我們僅用時(shí)2年左右就完成這架極其復雜的系統的調試任務(wù)?！苯i說(shuō)。

FAST快在調試階段就已開(kāi)始進(jìn)行早期科學(xué)研究。在不斷校準“中國天眼”的“視力”過(guò)程中，中國天文學(xué)家們爭分奪秒地開(kāi)展科學(xué)觀(guān)測。在望遠鏡還不能移動(dòng)的情況下，他們就采用漂移掃描的方式，讓地球自轉帶著(zhù)“中國天眼”巡天。建成還不到一年，FAST就實(shí)現了精確跟蹤觀(guān)測模式，驗證了它超高的靈敏度和望遠鏡效率。

FAST快在調試階段就開(kāi)始系統發(fā)現新脈沖星。這歸功于科學(xué)團隊提前準備，對團隊成員進(jìn)行了相應的觀(guān)測及數據處理訓練，開(kāi)發(fā)了數據處理軟件和數據庫……

FAST到底強在哪里？

FAST的關(guān)鍵技術(shù)成果可應用于諸多相關(guān)領(lǐng)域，如大尺度結構工程、公里范圍高精度動(dòng)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(yáng)系外緣，將深空通訊數據下行速率提高幾十倍。FAST將脈沖星測時(shí)精度提升數倍，可以觀(guān)測組建國際上最精確的脈沖星計時(shí)陣、建造脈沖星鐘，為自主導航這一前瞻性研究打下基礎。

作為一個(gè)多學(xué)科基礎研究平臺，FAST憑借其超強的靈敏度，有能力將中性氫觀(guān)測延伸至宇宙邊緣，觀(guān)測暗物質(zhì)和暗能量，能研究極端狀態(tài)下的物質(zhì)結構與物理規律；有希望發(fā)現奇異星和夸克星物質(zhì)，發(fā)現中子星以及黑洞雙星，無(wú)需依賴(lài)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(lái)，基于FAST開(kāi)放數據產(chǎn)出的高水平論文已經(jīng)超過(guò)150篇，發(fā)現的脈沖星總數超過(guò)780顆，是國際上同一時(shí)期所有其他望遠鏡發(fā)現脈沖星總數的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(xué)成果，有多篇論文在《自然》雜志上發(fā)表，有2篇論文在《科學(xué)》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(xué)》評選的2020年世界十大科學(xué)發(fā)現和突破。

在姜鵬看來(lái)，天文學(xué)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(shuō)：“天文學(xué)競爭還是相對激烈的，我們要有危機意識。如果把視線(xiàn)方向調向未來(lái)，我們要保持足夠的清醒，扎扎實(shí)實(shí)解決關(guān)鍵問(wèn)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(lái)之不易的領(lǐng)先優(yōu)勢?！?/p>

談及如何延續FAST的輝煌，姜鵬表示，首先要持續提升FAST的性能。對FAST這種望遠鏡來(lái)講，提升性能包括幾方面，一方面是它的視場(chǎng)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(shí)，從單口徑望遠鏡來(lái)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(jìn)，可能是一個(gè)很好的解決方案，需要找一個(gè)性?xún)r(jià)比極高，同時(shí)又具備優(yōu)良性能的陣列方案。估計2023年或者2024年會(huì )啟動(dòng)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(shuō)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(huì )議第二場(chǎng)“代表通道”的采訪(fǎng)中說(shuō)：“我們目光之所及是星辰大海，但我們走過(guò)的每一步路都是腳踏實(shí)地?！?/p>

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