“中國天眼”捕獲宇宙“脈沖” 名副其實天籟之音

　　它時強時弱、若隱若現(xiàn)，仿佛穿越亙古蠻荒而來;它源自茫茫宇宙深處，是名副其實的“天籟之音”。它就是根據(jù)脈沖星信號振幅轉(zhuǎn)換為聲音后制作的一段音樂，蘊含著等待破解的宇宙之謎，深邃而神秘。這段神秘“天籟之音”只有短短30秒，卻是貴州平塘國際天文體驗館的“鎮(zhèn)館之寶”，而捕捉到脈沖星信號、探測其振幅的是“中國天眼”即500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)，它就坐落在平塘一個被稱作“大窩凼”的喀斯特地貌巨型洼坑中。

　　位于貴州平塘的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)

　　實現(xiàn)“零”的突破

　　FAST是具有中國自主知識產(chǎn)權、世界最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡。2016年9月，F(xiàn)AST建成并開始接收來自宇宙深處的電磁波，進入試運行、調(diào)試階段。一年來，F(xiàn)AST不知疲倦地掃描巡天，敏銳地捕捉各類信號，取得振奮人心的發(fā)現(xiàn)。10月10日，F(xiàn)AST團隊在京舉行發(fā)布會表示，“中國天眼”探測到優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體達數(shù)十個，其中目前已通過系統(tǒng)認證的脈沖星達6顆。

　　中國科學院國家天文臺在發(fā)布會上公布了其中兩顆脈沖星的具體信息。一顆自轉(zhuǎn)周期為1.83秒，距離地球約1.6萬光年;另一顆自轉(zhuǎn)周期為0.59秒，距離地球約4100光年。它們分別由FAST于今年8月22日、25日通過漂移掃描發(fā)現(xiàn)的。

　　FAST超乎尋常的表現(xiàn)一舉實現(xiàn)了中國在脈沖星發(fā)現(xiàn)領域“零的突破”，為世界射電天文學發(fā)展作出了突出貢獻。國際天文學界因此把更多關注的目光投向中國。正如國際知名的澳大利亞帕克斯64米射電望遠鏡科學主管喬治?霍布斯所說的那樣，“中國天眼”的調(diào)試以及逐漸產(chǎn)出成果是目前國際天文學界最激動人心的事件之一。

　　1967年，英國人喬斯琳?貝爾發(fā)現(xiàn)了新型天體脈沖星，該項發(fā)現(xiàn)后來獲得了諾貝爾物理獎。至今，被人類發(fā)現(xiàn)的脈沖星至少有2700顆。研究表明，這類天體是一種高速自轉(zhuǎn)的中子星，由恒星演化和超新星爆發(fā)產(chǎn)生。其密度極高，每立方厘米重達上億噸，一塊方糖大小就相當于地球上一萬艘萬噸巨輪的重量。脈沖星的自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定，其穩(wěn)定度比目前最穩(wěn)定的氫原子鐘還要高1萬倍以上，被譽為自然界中最穩(wěn)定的天文時鐘，而精準的時鐘信號是為航天器導航的必要前提，因而脈沖星也被稱作人類星際航行的“燈塔”。此外，由于脈沖星是在蹋縮的超新星的殘骸中發(fā)現(xiàn)的，對它們的觀察研究有助于人類了解星體蹋縮，揭示宇宙誕生和演變的奧秘。

　　20余載成就巡天重器

　　FAST調(diào)試階段首批成果發(fā)布會專門舉行了默哀儀式，表達對FAST工程總工程師兼首席科學家南仁東的哀思。就在約1個月前，F(xiàn)AST即將迎來落成一周年之際，他卻溘然長逝，令人不勝唏噓。為FAST工程的立項、建設和調(diào)試工作，南仁東帶領團隊艱苦奮斗20余載，而他也因?qū)υ摴こ痰淖吭截暙I，被譽為“中國天眼之父”。

　　1993年，在東京召開的國際無線電科學聯(lián)盟大會上，包括中國在內(nèi)的10國天文學家提出建造新一代射電“大望遠鏡”。第二年，時任北京天文學會理事長的南仁東參與撰寫并發(fā)表了《大射電望遠鏡國際合作計劃建議書》，并提出利用喀斯特洼地作為望遠鏡臺址，建設巨型球面望遠鏡。在貴州省喀斯特地形地區(qū)選址工作之后啟動。他出任首席科學家兼總工程師，主持完成FAST的立項、可行性研究及初步設計工作，主編科學目標，指導各項關鍵技術的研究及其模型試驗。

　　2011年3月，F(xiàn)AST在貴州省平塘縣“大窩凼”洼地開工建設。2015年2月4日，F(xiàn)AST安裝了最后一根鋼索，索網(wǎng)制造和安裝工程結(jié)束。這意味著工程支撐框架建設完成，進入了反射面面板拼裝階段。2015年11月21日，F(xiàn)AST饋源支撐系統(tǒng)進行首次升艙試驗，6根鋼索拖動饋源艙提升108米，并進行功能性測試。2016年7月3日，F(xiàn)AST最后一塊反射面單元成功吊裝，主體工程完工。兩個多月后，F(xiàn)AST落成并啟用。

　　由于設計和結(jié)構均無先例可循，F(xiàn)AST不僅在建設階段遭遇重重困難，在調(diào)試階段也是如此。據(jù)FAST副總工程師李菂介紹，由于調(diào)試期間只能用“漂移掃描”方式進行在脈沖星搜索，所以科研人員不得不重新設計相關軟件，而在數(shù)據(jù)處理上也要花費更多時間和精力。FAST總工藝師王啟明透露說，團隊在各分系統(tǒng)聯(lián)調(diào)階段遭遇分系統(tǒng)間通信、算法的統(tǒng)一、安全協(xié)調(diào)等一系列問題，通過集中商討、反復嘗試、白天黑夜連軸轉(zhuǎn)等高負荷、高強度勞動，逐個攻關成功。正是憑著這種拼搏勁頭，F(xiàn)AST在短短一年調(diào)試期間就收獲頗豐。

　　服務全球科學家

　　FAST初戰(zhàn)告捷，接下來的兩年，將繼續(xù)開展調(diào)試工作，而搜尋和發(fā)現(xiàn)射電脈沖星仍是其核心科學目標。一方面，F(xiàn)AST繼續(xù)在銀河系進行掃描探測，發(fā)現(xiàn)更多信號暗弱、易被人造電磁干擾淹沒的脈沖星。隨著調(diào)試工作的進展，其性能有望進一步提升，它將有希望發(fā)現(xiàn)更多守時精準的毫秒脈沖星，對脈沖星計時陣和探測引力波做出原創(chuàng)性貢獻。另一方面，F(xiàn)AST將把觀測范圍向銀河系外拓展。據(jù)悉，相關團隊已經(jīng)在為觀測河外星系脈沖星做技術上的準備，最早于2018年初開始進行觀測嘗試。

　　FAST的建設和投入使用取得豐碩成果，把中國射電天文學推向世界最前沿，開啟了中國射電波段大科學裝置系統(tǒng)產(chǎn)生原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的新階段?！肮び破涫?，必先利其器?！边@突出成就昭示我們，在當今全球科技競爭空前激烈的新背景下，重大的科學突破離不開科研儀器的進步。近年來，中國在天文學領域持續(xù)發(fā)力，陸續(xù)建成了一批世界領先的高性能天文望遠鏡，形成了凝視太空的中國望遠鏡陣。

　　今年6月中旬，中國發(fā)射了硬X射線調(diào)制望遠鏡。這是一臺已知計劃中世界最高靈敏度和最強空間分辨本領的空間硬X射線望遠鏡，它實現(xiàn)了空間硬X射線高分辨巡天，發(fā)現(xiàn)大批高能天體和天體高能輻射新現(xiàn)象，并對黑洞、中子星等重要天體進行高靈敏度定向觀測。

　　2012年10月低，亞洲最大的全方位可轉(zhuǎn)動射電望遠鏡在上海天文臺正式落成。該望遠鏡能夠觀測100多億光年以外的天體。此外，中國還建成世界上口徑最大的大視場望遠鏡——郭守敬望遠鏡、搭建南極準空間天文觀測平臺。

　　特別值得一提的是，上述中國著力打造的具有世界先進水平的天文望遠鏡設備將堅定奉行對外開放的原則，貢獻給全球科學家使用。從這個意義上來說，中國在天文學領域奮進的的歷程，也同時開啟了世界科學家用中國原創(chuàng)的天文設備探索宇宙奧秘、推進人類認知的新時代。