中国天眼:巡天遥看一千河

中国人要建造自己的天文望远镜,是中国科学院1958年正式提出的。这年,毛泽东写下“坐地日行八万里,巡天遥看一千河”的诗句。这视透苍穹、境界比星空还辽阔的豪迈诗句,毛泽东破例作注,致信早年同学周世钊,指出:“坐地日行八万里……是有数据的。地球直径约一万二千五百公里,以圆周率三点一四一六乘之,得约四万公里,即八万华里。这是地球的自转(即一天时间)里程。坐火车、轮船、汽车,要付代价,叫做旅行。坐地球,不付代价(即不买车票),日行八万里,问人这是旅行么,答曰不是,我一动也没有动。真是岂有此理!囿于习俗,迷信未除。完全的日常生活,许多人却以为怪。巡天,即谓我们这个太阳系(地球在内)每日每时都在银河系里穿来穿去。银河一河也,河则无限,‘一千’言其多而已。我们人类只是‘巡’在一条河中,看则可以无数。”在这里,诗人驰骋无限胸怀,放飞无穷想象,把神奇瑰丽的景象,极其严谨地落实在科学运算上。这是党中央发出“向科学进军”的号召后,毛泽东向全国人民做的一次强有力的科普知识推广。2016年,中国天文科学家设计建造的“神器”开启了,穿越光年,视通万里,再次证明了毛泽东神奇浪漫的诗句是如此科学缜密,诗句中的瑰丽景致又如此具体可触,是完全的日常生活,更是天人合一与现实高度契合的描述。它就是——中国天眼

中国天眼中国天眼——镌刻在世界天文史上的新高度。

中国天眼直径500米,具有自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜(FAST),纹丝不动地坐落在贵州的大山中,方圆5000米为“静默区”,屏蔽一切干扰,凝神注目望天外,接收着来自宇宙深处的电磁波,日月之行若出其中,星汉灿烂若出其里,九重天外九重天,银河系外多少河……其情形正是“坐地日行八万里,巡天遥看一千河”。建造它的原因在于,观测天文与观测光学照片一样,清晰度根源在于分辨率,而要提高望远镜分辨率,需从两方面努力:一是降低观测频段光子的波长(等价于增强能量),二是增加望远镜的有效口径。FAST恰为以上两方面做出贡献。以南仁东为首的中国科学家和工程技术人员在建造它时,提出3项自主创新:利用贵州天然的喀斯特洼坑作为台址;洼坑内铺设数千块单元镜面组成500米口径球冠状主动反射面;采用轻型索拖动装置和并联机器人,实现望远镜接收机的高精度定位。在工程建设过程中,南仁东团队克服诸多施工困难,突破一系列技术难题,按工期高质量完成了建设任务,并产生了多项技术创新成果,推动了技术进步与产业升级。全新的设计思路,加之得天独厚的台址优势,FAST突破望远镜的百米工程极限,开创了建造巨型射电望远镜的新模式,将在未来10至20年保持世界设备的领先地位。FAST的落成启用,对中国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。经过两年的紧张调试,FAST已经实现跟踪、漂移扫描、运动扫描等多种观测模式。截至2018年9月,已发现59颗优质的脉冲星候选体,其中有44颗已被确认为新发现的脉冲星。

南仁东

这个世界上最伟大的科学装置,不仅体现在庞大的外形和诸多领先的参数上,更凝聚了以南仁东为代表的一代中国科学家热爱祖国、勇攀科学高峰的赤子之心。

南仁东中国科学院国家天文台FAST项目总工程师、首席科学家,主要从事射电天体物理与射电天文技术与方法相关领域研究。1993年,在国际无线电科学联盟大会上,在全球电波环境不斷恶化的形势下,各国的科学家都祈盼着能尽早建造新一代射电望远镜。时任国家天文台副台长的南仁东从来就不缺乏敢为天下先的勇气及只争朝夕的紧迫感和强烈使命感。经过初期勘探,FAST选址工作启动,从1994年4月开始,南仁东及其团队带着300多幅卫星遥感图,跋涉在中国西南的大山里,在贵州喀斯特地带先后走遍了1000多个洼地,对比了上百个窝凼。有一天,他从平塘县克度镇爬两个多小时山路来到一处大窝凼,纵目远眺,四周青山环抱,在这方偏僻世界里终于找到心仪之地。他站在窝凼中央,兴奋地说:“这里好圆!”从此,这里就成为FAST的家。

历经千辛万苦,2007年,南仁东主持的FAST作为“十一五”重大科学装置被国家批准立项;2008年,国家批复FAST的可行性研究报告;2009年,中科院和贵州省人民政府联合批复FAST项目初步设计及概算;2011年下达开工令,先后有150多家国内企业相继投入到FAST建设中。

南仁东(中)与工程技术人员检查施工进程。

南仁东主编科学目标,指导各项关键技术的研究及其模型试验,组织实施“射电波段的前沿天体物理课题及FAST早期科学研究”;确立FAST实现世界首个漂移扫描多科学目标同时巡天的原创科学策略;提出调试阶段全波段监测蟹状星云脉冲星的优先观测计划等,进行了一系列工程实施和科研活动。他是个一丝不苟的完美主义者,参与到FAST设计的每个环节中。核心技术遭遇封锁、关键技术无先例可循、关键材料急需攻关……然而,这一切都没能挡住他们矢志不渝的探索步伐。2014年,FAST反射面面板即将吊装,年届花甲的南仁东亲自上阵,进行“小飞人”载人试验。从提出想法到项目落成的23年时间里,他带领老中青三代科技工作者克服难以想象的困难,实现了由跟踪模仿到集成创新的跨越。2016年9月,FAST落成启用前,他已罹患重病并在手术中伤及声带,但毅然坚持带病工作,从北京飞赴贵州,亲眼见证了中国天眼工程的落成。9月25日,500米口径球面射电望远镜正式启用,立即接收到来自宇宙深处的电磁波。

时代造就了南仁东南仁东仿佛为中国天眼而生。当中国天眼的目光穿过银河系的时候,2017年9月15日,南仁东永远地闭上了双眼,享年72岁。共和国永远铭记着南仁东的名字。2018年10月15日,经国际天文学联合会小天体命名委员会批准,国家天文台将1998年9月25日发现的国际永久编号“79694”的小行星正式命名为“南仁东星”。同年12月18日,庆祝改革开放40周年大会在人民大会堂举行,100名“改革先锋”称号获得者在大会上受到党和国家的表彰,南仁东名列其中。《感动中国》 献给南仁东的颁奖词是:“一个人的梦想能有多大?大到可以直抵苍穹。一个人的梦想能有多久?久到能够穿越一生。23年,8000多个日日夜夜,500米口径球面射电望远镜首席科学家、总工程师南仁东心无旁骛,为崇山峻岭间的中国天眼’燃尽生命,在世界天文史上镌刻下新的高度。”。

纵目星空——视通万里的探索之路。

“当我们仰望上苍的时候,我们的天性经常会发问这样3个问题:我们是谁?我们从哪里来?地球之外有没有其他的文明社会?”在建造中国天眼前,南仁东曾做客中央电视台讲过这样一段话。深邃的宇宙有着无穷的魅力,人类对于星空的敬畏和好奇是与生俱来的天性。中华民族是一个勤劳智慧勇敢的民族,也是最富于畅想的民族,从射日、追日、补天、奔月的创世纪传说,到历代仁人志士天问、问天的命题文章,从来就不缺乏探索星空的作为。

1953年毛泽东在紫金山天文台视察。

科学进军,大力发展现代天文科学事业,是从新中国成立后开始的,70年来我们走过一条充满艰辛而成就辉煌的道路,历经许多脱胎换骨的蜕变。新中国成立伊始,百废待兴,党和国家领导人就十分关心支持中国天文事业的发展,中国天文界奋起追赶世界先进水平。1949年11月中国科学院成立,即组建起天文研究所,领导和推动着中国天文学事业的大发展。1953年2月23日,毛泽东视察中国科学院紫金山天文台时特意提出要看看这里收藏研究的如皋陨石。那是1952年4月1日在江苏如皋县境内陨落的一块陨石,主要矿物质是橄榄石和辉石及少量铁纹石,重5.5公斤。他仔细端详着陨石意味深长地说:这个陨石是唯物主义很好的证明,世界的真正统一性是在它的物质性。并作出重要指示:天文台要造更大的望远镜,要让天文仪器为人民服务。

中国天文学事业的大发展,也是抓两头带中间,即:在紧盯世界科学发展前沿、瞄准尖端科技的研制与运用而奋起追赶的同时,大力进行全民科学普及运动,夯实基础,培养人才。抓两头的关系,就是在普及的基础上進行提高,在提高的指导下进行普及,由此全面带动相关基础设施的建造与人才队伍的培养。

北京天文馆的宣传车。

那是一个激情燃烧的火红年代。1957年9月29日,中国第一座天文馆——北京天文馆正式开馆。它与中国天文台不同,也与外国的天象馆不同,它是一个全新的具有中国气派的科学普及机构,旨在向人民大众宣传以天文学为主的自然科学知识,在青少年中培养更多的天文爱好者,提高公众的科学素质。这一天,出席开馆仪式的中国科学院首任院长郭沫若为天文馆的大型壁画《太阳的火焰》 ,挥毫写下:

太阳,宇宙发展的形象,新中国发展的形象,科学事业发展的形象,热火冲天,能量无穷,光芒万丈!

70年来,中国天文学研究与建设,为服务国家航天、探月事业、通讯卫星导航系统等做出了重要贡献,在国家重大工程和应用领域发挥了不可替代的作用,与我们的生活息息相关。如今,中国天眼中国天宫、中国悟空、中国墨子等一批相继问世的重大科技成就,是新时代中国大力实施创新驱动发展战略、建设创新型国家的丰硕成果。这些成果是国家创新体系的中坚力量和创新平台,属于战略科技力量,决定着国家发展水平的基础,是一个国家创新力以及核心竞争力的主要表征,是国之重器。我们有理由为此自豪!

更上层楼——实现对银河系的“星口普查”。

一滴水能折射七彩阳光,一部天文望远镜建造史最能见证中国天文学事业的发展历程。

工欲善其事,必先利其器。设计建造自己的天文望远镜,是中国天文工作者多少年的梦想。天文望远镜属于一种大型、精密的光机系统工程,依凭当时新中国科技工业水平是十分艰难的。新中国的科技工作者敢想敢做,1958年高标准地提出自主建造一架2.16米口径望远镜的宏伟计划,当年即获得国家批准。因陋就简,大胆探索,他们从零开始,先从建造60厘米的小型望远镜做前期试验,以积累经验。检验望远镜威力和天文学研究水平的标志之一,就是寻找超新星。当时,世界上最先进的大望远镜想要发现一颗新超星尚且不易,但是,中国天文学家使用自己建造的60厘米望远镜,创新寻找方法,在很短时间里就找到40多颗超新星,取得了许多开创性成果。至今,60厘米的望远镜仍在国内外广泛使用着,为天文学研究积累工程技术经验、培养人才等发挥着作用。

历尽艰辛31年,中华人民共和国成立40周年前夕,中国科学家终于自主建成具有世界先进水平的2.16米口径的光学望远镜。这种望远镜的建成,不仅使我国天文学家可以观测天体图像,而且可以用不同波长的光分辨出天体光谱。从中可以知道天体中每种元素的含量,天体运动的速度、温度、重力、磁场等,甚至可以知道天体的年龄。2.16米口径望远镜产生了一大批有代表性的成果,特别是超新星光谱的观测使它声名大振。最近,2.16米口径望远镜又有了新的发现,国际天文学家团队利用世界各地的望远镜共同观测到一颗65年内已爆炸过6次的超新星,中国的2.16米口径望远镜为此贡献了其光谱序列中最早的两条光谱。

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