“中国天眼”有多牛?FAST总工程师姜鹏为你解读

2021年3月31日,“中国天眼”(FAST)正式向全球天文学家开放。“中国天眼”是什么?它是我国具有自主知识产权、用于探索宇宙的单口径球面射电望远镜。有了它,可以推动对宇宙深空的了解与探测,为天文学的发展提供新的可能。

“中国天眼”有多大?它口径500米,发射面积相当于30个标准足球场那么大。如果在里面倒满矿泉水,全世界70亿人平均每人可分4瓶。它能看多远?能看穿130多亿光年的区域,接近宇宙边缘。目前,“中国天眼”是世界上最大的也是最灵敏的单口径射电望远镜。

借鉴抛物面天线原理,从地球聆听来自宇宙的信号

“中国天眼”的学名是500米口径射电望远镜。不同于常见的通过可见光进行观测的光学望远镜,射电望远镜通过接收宇宙中不可见的无线电波来“观测”宇宙。我们上方厚厚的大气层有两个“窗口”: 一个是可见光窗口,千百年来人类都是通过这个窗口观测宇宙的;一个是无线电窗口,上世纪30年代,无线电天文学先驱卡尔·央斯基偶然发现了来自银河系中心的信号,射电天文学的大幕由此拉开,推动人类认识宇宙起源、生命起源。

“中国天眼”是当今射电天文学的“重器”。其基本原理是什么呢?我们都知道,平行电磁波遇到抛物面反射后会汇聚到焦点的位置。对射电望远镜来说,把反射面做成抛物面的形状,然后在焦点位置放置一台接收机,就可以汇集天体发出的电磁波信号,从而进行天文观测。抛物面的面积越大,汇集的信号就越多,也就越能探测到更暗弱、更遥远的天体。所以,自卡尔·央斯基意外发现射电天文观测窗口之后,各国天文学家就一直致力于建造反射面尽可能大的巨型射电望远镜。

与此同时,伴随人类对无线电的大规模使用,产生了越来越多的无线电波,干扰了人类对太空信号的接收。在1993年国际无线电大会上,包括中国在内的多个国家提出倡议,希望在地球电磁波环境被破坏之前,建造出超大口径的射电望远镜。次年,以南仁东先生为代表的中国科学家开始“中国天眼”的探索,开启了“把不可能变成可能”的征途。

难度大、突破多,“中国天眼”在灵敏度上占据制高点

到底能建口径多大的望远镜,取决于最终找到多大的洼地。适宜的洼地非常难找,因为它要同时符合四大条件。首先要足够大、足够圆,否则只是开挖和支护成本就会让这个项目无法实现;其次,要远离人口密集区域,这样才能保证优良的电波环境;再次,不能积水,不然设备寿命难以保证;最后,还要有优良的地质条件,否则无法建成大型、高精度的天文观测设备。

从1994年到2006年,南仁东带领团队,从8000多幅地图中选出300多个洼坑,再进一步将范围缩小至几十个。团队几乎走遍这些洼地,现场踏勘,风餐露宿。最终,将台址定在贵州平塘县克度镇的大窝凼洼地。

台址确定后,如何设计、如何实现、建成之后如何调试和使用,都没有现成经验可以借鉴:关键技术无先例可循、关键材料需从头研制。

“中国天眼”设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜,这首先体现在“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”指反射面;“瞳孔”指馈源舱,即放置接收宇宙外信号装置系统的舱体。

作为世界首创,“中国天眼”的“视网膜”是主动反射面,可以改变形状,一会儿是球面,一会儿是抛物面。具体来说,这张庞大的可动的“视网膜”是一张由6670根钢索编制的索网,挂在一个由50根巨大钢柱支撑的直径500米的圈梁上;索网上铺有4450块、380多种反射面单元;索网下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面上的作动器上,通过操纵作动器,拉动下拉索来改变索网形状,从而对天文信号进行收集和观测。

“中国天眼”的“瞳孔”即馈源舱,也是一个大胆的突破性设计。大多数传统射电望远镜的“瞳孔”位置是固定的,或仅可以微调。“中国天眼”则完全不同,采用的是全新的轻型索驱动控制系统,这让“中国天眼”的“瞳孔”可以自如改变角度和位置,更有效地收集、跟踪、监测更丰富的宇宙电磁波。

从体量来说,原世界第一大射电望远镜的馈源舱重1000多吨,“中国天眼”馈源舱重仅约30吨。体积小带来多方面的优势,比如可有效减少光路遮挡、减少干扰信号,从而让波束非常干净,更有利于天文观测。

“中国天眼”在设计上的突破创新,为“从图纸到现实”的制造带来巨大挑战。而应对挑战的过程,也正是国产精准制造不断创造奇迹的过程。比如,要实现反射面(即索网)可改变形状这个世界首创设计,要求构成索网的钢索像弹簧一样有一定伸缩性,疲劳强度是现有标准的两倍多,国际上未有先例;还要求每根钢索的加工精度要达到1毫米,把传统标准提升了一个数量级。

两年来,科学家们持续全方位地改进索体工艺,一根钢索要进行200万次疲劳实验。经历了近百次的失败后,最终成功解决了这个关键问题,实现了3项世界创举:超大跨度、超高精度、主动变位式的索网结构。

建设完成之后,“中国天眼”进入调试阶段。巨型望远镜调试涉及天文、测量、控制、电子学、机械、结构等众多学科,是强交叉学科的应用性研究,国际上传统大射电望远镜的调试周期很少低于4年。“中国天眼”开创了新模式,其调试工作也更具挑战性。

截至目前,已经实现跟踪、漂移、运动扫描、编织扫描等,提前完成功能性调试。在性能调试方面,“中国天眼”直径500米,却要实现毫米级的精度,难度相当大。当前,望远镜测量基准网的精度已提升至1毫米以内,其中,灵敏度水平是世界第二大望远镜的2.5倍,这是中国建造的望远镜第一次在灵敏度这个参数上占据制高点。另外,19波束已经完成安装,其意义也非常重大:可将望远镜视场扩大至原来的19倍,大幅提升望远镜的巡天效率。

“中国天眼”专利技术被运用于多个领域,持续孵化科学新成果

“中国天眼”团队敢想敢做,难度大、挑战大,其设计、建造的过程既是攻坚克难的过程,也是创新性成果相继产生的过程。许多具有我国自主知识产权的专利技术相继诞生并得到应用。比如,超高疲劳性能钢索结构被应用于大型体育场馆,高精度索结构生产体系被应用于港珠澳大桥等建设。

在整个制造、安装过程中还产生了许多国家级、省级工法。比如,在为“中国天眼”铺设“视网膜”过程中,4450块反射单元、6670根钢索、上万个关节轴承,都是工人们在几十米高空一块块、一根根、一个个拼装完成的,容错率为零。这些复杂工法将有助于未来大型复杂项目的精准建造。

可以说,“中国天眼”是一个现代工程奇迹,它凝结了20多个科研机构、上百名科研人员的心血,汇聚了几千名一线工人的汗水。建造条件艰苦,很多人在现场工作几天,身上就会起满红疙瘩。潮湿、阴冷的工棚没有空调或暖气,每个人的被子潮湿得快要挤出水来。常有人说,只有中国才能做成“天眼”,我想,做成“天眼”所依靠的,就是这种永不言弃、众志成城的精神。

2017年10月,“中国天眼”首批科学成果公诸于世。如今,基于“中国天眼”数据发表的高水平论文已有70余篇;所发现的脉冲星数量已超过300颗,是同一时期国际上所有其它望远镜发现数量总和的3倍。为什么发现脉冲星至关重要?脉冲星是正在快速旋转的中子星,密度极高,每立方厘米重达上亿吨。它自身如灯塔一般散射光芒,时时刻刻地扫描着宇宙;它自转速度很快、自转周期精确,堪称宇宙中最精确的时钟。因此,把握脉冲星,有利于建立“宇宙导航系统”,有助于人类在未来实现星际旅行的梦想。

接下来,“中国天眼”将进一步在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿方向加大探索,加强国内外开放共享,推动重大成果产出,勇攀世界科技高峰。我们青年一代科学家也将努力“用”好凝结了中国4代科学家心血的“天眼”,产生更多科研成果,推动人类对宇宙的探索和认知。(本文作者为FAST总工程师)

图片分别为延时拍摄的FAST上空的星轨,以及建于贵州大窝凼洼地的FAST。中国科学院国家天文台供图
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今天是第52个#世界地球日#!我们居住的这个星球,有太多让人惊叹的自然生态了!

只是我们平时都生活在钢筋水泥的城市里,忽略了地球千万年造就山川湖海的辽阔,和日月星辰流转的色彩…

和自然和谐共生的前提,还是要先多走出去,见识到自然环境的奇妙。用支持环保和可持续的绿色旅行,去感受这个多元物种共居的星球
#带着微博去旅行##不止旅行#

罗曼罗兰有言:“人生不售来回票,一旦动身,绝不能复返。”

我们这辈子,就像是坐着一趟奔向远方的火车一般,上车了就没有回头路可言了。要不就是中途下车,要不就是终点到站下车。

人生,最为残酷的地方在于,无论你怎么努力,怎么奋斗,死亡永远都是唯一的选择。

明代的杨慎在《临江仙》中写道:“滚滚长江东逝水,浪花淘尽英雄。是非成败转头空。”

我们身处在纷繁复杂的时空大背景之下,无论你如何出众,干了多少大事,成就了多少事业,都会被时光给消磨得一干二净,啥都不剩。

人在时光面前,不过是弹指一挥间而已。而地球在时光面前,不过是尘埃罢了。

正因为人之渺小,所以成就了众多的爱恨别离和不舍。要知道,红尘滚滚皆是世俗往事,来来去去皆为爱恨情仇,总是空,终成空。

苏轼曾在江边感慨:“人生如梦,一樽还酹江月。”

人这辈子,就像是在做梦一样。从我们出生的那一刻开始,这场梦也就开始了。而当我们老去的时候,这场梦也就该结束了。

有如梦幻之泡影,如梦亦如幻,如露亦如电。

我们活着,就是在因果循环的世道中走上一遭。虚无和现世,不过是光阴之一瞬而已。如此,我们如今拼命活着,又为了什么呢?

生命到了尽头,死亡是唯一的选择

古人言:“周而复始,生生不息。”

春去秋来,寒来暑往,这是四季的规律。每个季节都不可能永远存在,它们都在互相变化之中,维持着各自的平衡。

日 月沉,昼夜有别,这是天地的规律。每一天其实都在“暗”与“光”中不断转变着,就像八卦两仪一般,轮转变换,无休无止。

生死有命,富贵在天,这是世间的规律。每一个生物其实都在跟“生”与“死”在打交道,这是一种必然的经历,更是世间变换的常态。

在生活中,其实我们都不愿意谈及“死”这个话题,为什么呢?

因为在我们传统的观念看来,这个话题就是一个颇为“晦气”的话题,给人的心理带来不舒适的感觉,更让人难以接受现实。

在年轻人看来,还未经历过真正的生活,那么他们不会懂得什么是真正的“生死”。

而在一些上了年纪的人看来,他们虽然懂得了其间的规律,可却特别害怕这一天的到来。

但是,很多东西,存在便是一种规则和道理,就是一种必然要接受的事物。那么,生命最现实的一件事,就是其到了尽头,死亡是唯一的选择。

我们拼命活着,又为了什么呢?

很多人就会疑惑,既然死亡是唯一的选择,那么我们拼命活着,到底为了什么呢?

为何啥?说实话,对于这个问题,我想每个人的看法都是不一样的。因为欲望不同,追求和意义就会不同。

在一些颇有使命感的人看来,他们这一生,就要做到出将入相,为天下谋福祉,为众生谋幸福,穷则独善其身,达则兼济天下。

在一些格局小一些人的看来,他们这一生,只想过点自己的小日子,一家人开开心心,平平安安就好。其余的,就不在乎了。

在大多人看来,他们这一生,只想还清生命中的“贷款”,承担起生活的压力,然后让子孙后辈能够活得轻松一些。

我们大多人,其实都活成了第二和第三种人。不过,还是要说,不管是活成哪一种人,其存在,都是有道理的。

想要社会发展,那肯定要有第一种人,这是一种历史的推力。而想要满足人生的欲望,那么第二种人就是很好的选择。

而面对现实,适应这个社会,第三种人就是如此。

我们活着,其实就是在社会上找寻着自己原有的位置,“对号入座”罢了。因为我们每个人,终究是有一个“归宿”的。

悟平生之意,观大千世界,顺其自然

当我们明白自己是哪种人,要做哪些事儿之后,那么我们的生活态度,究竟会变得怎样呢?

人生最好的态度,莫过于曾文正公所言的“灵明无着,物来顺应,未来不迎,当时不杂,既过不恋”这几个原则。

而将这几个原则归结起来,就是两个词,八个字,那就是“随遇而安,顺其自然”。

人活着,说实话,其实没有一个人是容易的。因为我们来到世间,终究是要“受苦受难”的。

为何会“受苦受难”呢?

说得直白一些,那就是生活就像是“天堂”和“炼狱”的结合体。你既然能感受到欢乐,那肯定就会有无休止的烦恼在干扰着你。

这是一种平衡,更是一种代价。

所以,我们想要过得安稳一些,平心静气一些,就该明白什么是“顺其自然”。不要违背世间的规律,不要超越界限,而是要遵循生命的轨迹走下去。

不管我们过得怎样,都要明白,来一趟人间不容易,这趟旅行注定是有苦有甜的。那么,品尽人间百味,历经百转千劫,然后淡然一笑,道一声“无憾”便足矣了。


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