看透百亿光年洞悉星辰大海

　　（2015年8月2日摄）FAST项目拼装第一块反射面板
　　（2015年12月16日摄）FAST反射面板安装近半
　　（2016年3月9日摄）FAST项目反射面板安装近八成
　　（2016年7月3日摄）FAST项目反射面板安装完成
　　2016年6月27日拍摄的中国天眼（检修期间拍摄）
　　银河系脉冲星搜寻团队首席科学家韩金林
　　扫码和天眼一起探析宇宙
　　重器档案：目光可及130多亿光年之外
　　被誉为中国天眼的500米口径球面射电望远镜（FAST）项目于2007年7月10日由国家发改委批准立项，2011年3月25日正式开工建设，2016年9月25日落成启用，2020年1月11日正式开放运行。
　　中国天眼口径500米，反射面由4450个反射单元构成，总面积为25万平方米，相当于30个标准足球场那么大，是世界上最大最灵敏的单口径射电望远镜。
　　从理论上讲，可接收到137亿光年以外的电磁信号，这个距离接近宇宙边缘。
　　目之所及，已是光年之外。
　　被誉为中国天眼的500米口径球面射电望远镜（FAST）正式验收至今已两年。作为国之重器，中国天眼运行效率和质量不断提高，年观测时长超过5300小时，已远超国际同行预期的工作效率，为天文学科学研究起到重要支撑作用。
　　2016年9月25日，中国天眼落成启用，习近平总书记发来贺信。在贺信中，习近平总书记指出，天文学是孕育重大原创发现的前沿科学，也是推动科技进步和创新的战略制高点。它的落成启用，对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。
　　近日，广州日报全媒体记者对话中国天眼的建设者和使用者，揭秘他们如何建造这个大国重器，并凭借它洞悉宇宙，探索星辰大海。
　　文广州日报全媒体记者张丹图国家天文台提供
　　建设故事
　　6670根钢索编制视网膜
　　用八到十年把银河系看穿
　　打开卫星地图，贵州平塘县的地貌好似布满褶皱的大象皮肤。再提高分辨率，就能看到大大小小的漏斗天坑群。其中有一个叫大窝凼的天坑，就是被称为中国天眼的500米口径球面射电望远镜（FAST）所在位置。
　　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年的国际无线电大会上，包括中国在内的十个国家提出倡议，希望在地球电磁波环境被人类的活动彻底毁灭之前，建立一个超大口径的射电望远镜。次年，以南仁东为代表的中国天文学者开始推动FAST工程立项，开启了把‘中国天眼’从不可能变成可能的征途。
　　一根钢索要进行200万次疲劳实验
　　中科院国家天文台研究员、FAST总工程师姜鹏说，‘中国天眼’光是选址就经历了13年，南仁东带领团队，从8000多幅地图中选出300多个洼坑，然后又几乎走遍这些洼地，风餐露宿、现场踏勘，最终才敲定了现在的位置。而整个项目如何设计、如何实现，都没有现成经验可以借鉴。
　　但这也逼出了FAST的很多世界首创。比如，被喻为天眼的视网膜的反射面，可以在球面和抛物面之间切换形状，它是一张由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。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，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。姜鹏告诉记者，为了全方位地改进索体工艺，科学家们花了两年时间，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。
　　不仅如此，这6000多根钢索的安装也极具挑战，因为每根钢索的规格、长度，甚至截面尺寸都不一样，如果装错了一根，整个索网可能就成不了型，最终导致整体工程失败。所以，工程人员在每个主索上都要打上二维码的标签，到现场要刷二维码保证它的安装正确性。姜鹏说。
　　除了极具震撼的视网膜之外，中国天眼的瞳孔（馈源舱），也体现了中国设计的进步。大多数传统射电望远镜的馈源舱位置相对固定，FAST则可以通过全新的轻型索驱动控制系统，让瞳孔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。此外，体量上对比，原世界第一大射电望远镜的馈源舱重1000多吨，而中国天眼的馈源舱重仅约30吨。这也让它可以有效减少光路遮挡、减少干扰信号，从而让波束非常干净，更有利于天文观测。
　　两年多发现近500颗脉冲星
　　作为大质量恒星死亡后的残骸，脉冲星长期以来都是天文和物理的前沿研究领域，对其发现和研究，是国际上大射电望远镜的关键科学目标之一。从2020年1月正式验收两年多来，中国天眼已发现近500颗脉冲星，成为世界上发现脉冲星效率最高的设备。
　　我们现在有了自己的大型射电望远镜，再也不用去‘蹭’国外的望远镜了！国家天文台首席研究员韩金林笑着跟记者说，过去，中国的天文学家都是‘蹭’国外的望远镜做研究。每次申请之前还要写一份科学建议书，告诉对方要研究什么以及这个研究有什么科学意义。对方通过后便可以获得几个小时的观测时间，具体决定权完全由对方掌握。科研人员的论文都是这样一点一点写出来的。
　　中国天眼给大家的印象就是大，但在韩金林眼里，它不仅大，而且好用。他告诉记者，正是得益于中国天眼的强大性能，他主持的FAST重大优先项目银道面脉冲星快照巡天在不到两年时间内新发现279颗脉冲星，该项目执行1年半所发现的脉冲星数已经超越国外一个知名望远镜15年的搜寻结果。过去我们取得什么结果都喜欢搞国际认证。现在我们做的更好，甚至国际同行论文发表时，会标明我们结果精度更好。韩金林自豪地说。
　　FAST配备19波束L波段接收机，能够同时接收19个点。韩金林说，由于中国天眼可以精确控制，只要稍微动一点点，就能够接收到另外19个点的波束。我们充分利用了中国天眼高精度跟踪的能力，在观测中只需微调三次，就把整个一小块天空的信号都收集起来了。你看到的这个小黄点，19波束L波段接收机4次收集数据，共76波束，每次得花半小时观测和一台集群一天的处理。要完成目标，我们得做18000个小黄点。韩金林指着电脑屏幕跟记者分享，这就像女娲补天，一小块一小块的贴上去，等所有的都贴完了，银河就看穿了。等所有的点都收集完了之后，再进行精确研究，就更容易取得科学重大的突破。届时，这将成为中国天文学居于世界天文学前沿的底气。按照目前这个速度，大概用八到十年的时间就能够完成这个巨大的工程，但如果没有中国天眼，我们根本就不可能完成这样的研究。
　　研究者说
　　只有FAST一艘航空母舰还远远不够
　　目前，我们对准的是脉冲星最多的区域，随着巡天项目的推进，我们还会发现更多有趣的、甚至超出理论预期的脉冲星，也许需要修改理论模型。韩金林告诉记者，内银河观测难度更大，但他们希望利用FAST的接收面积巨大、实时变形精确跟踪、多波束接收等能力优势，增加脉冲星搜寻深度，我们有信心搜寻到1000颗脉冲星。
　　据介绍，中国科学院为全力做好中国天眼开放运行和科学研究工作，第一时间成立了中国天眼科学委员会、时间分配委员会和用户委员会，统筹规划科学方向、遴选重大项目、制定数据开放政策等，充分发挥科学效能，促进重大科学成果产出。截至目前，中国天眼年观测时长超过5300小时，已远超国际同行预期的工作效率；基于观测数据发表的高水平论文达到120余篇。按照科学目标和相关战略规划，中国天眼还确立了多个优先和重大项目，包括多科学目标漂移扫描巡天、中性氢星系巡天、银河系偏振巡天、脉冲星测时、快速射电暴观测等。
　　加强国内外开放共享，可以推动重大成果产出，推动人类对宇宙的探索和认知。中国天眼在建设之初，就确立了按照国际惯例逐步开放的原则。从2021年3月31日向全球科学家开放观察申请到今年年初，已收到全球共7216小时的观测申请，最终，14个国家（不含中国）的27份国际项目获得批准。
　　不过，在我看来只有一艘‘航空母舰’还远远不够。韩金林说，现在只有一个FAST，但是周边还没有配套的百米量级望远镜。就好像只有航空母舰，没有护卫舰、驱逐舰也不行。希望在未来能够为FAST这艘‘航空母舰’配备好这些‘舰队’，让其发挥更加重要的作用。
　　从理论上讲，FAST可接收到137亿光年以外的电磁信号，这个距离接近宇宙边缘。
　　中国天眼的灵敏度达到世界第二大射电望远镜的2。5倍以上可有效探索的空间范围体积扩大4倍
　　中国天眼是目前国际上最灵敏的望远镜。我们能够到最深的流量区把找出别人找不到的脉冲星！
　　银河系脉冲星搜寻团队首席科学家韩金林
　　出品：江永忠、许芳、林明策划：赵东方、余靖统筹：汤新颖、王晨阳设计：黄思勤、徐锦昆