射电天文学-射电天文台-射电天文工具
观天巨眼FAST：让中国射电天文领先世界二十年电动门紧闭着，挡住了去路。“正在观测”的警示牌显得格外醒目。这里是贵州平塘大窝凼，也就是“中国天眼”的所在地。
谁能想到，在 20 多年前，这里处于人迹罕至的状态。而如今，在大山的环抱之中，一个“观天巨眼”静静地卧在大窝凼里，它仰望着苍穹，凭借着“一眼千年”的神奇技艺在世界上独树一帜。
“中国天眼”的学名是 500 米口径射电望远镜（FAST）。它的发射面积很大，相当于 30 个标准足球场那么大。如果把里面倒满矿泉水，全世界 70 亿人平均每人可以分到 4 瓶。
它是目前世界上最大且最灵敏的单口径射电望远镜，这使中国能在射电天文领域领先世界 20 年。从跟跑状态转变为领跑状态，在这背后，体现的是中国不断崛起的科技力量。
造“锅”：历时22年建成观天巨眼
意大利天文学家伽利略最先发明了望远镜，让宇宙得以被拉近到人类面前。射电天文学让人们认识到了另一个全新的世界，一个无法通过人的感官去感受的世界。
20 世纪 30 年代，射电天文学开始兴起。美国工程师央斯基发现了发射自银河系中心的无线电波之后，美国科学家格罗特·雷伯在自家后院架起专门的天线，用来探测来自天空的射电。这样，被星际尘埃遮蔽的广阔太空世界，第一次被人们所认识。接着，类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射这四大天文发现，使得射电天文学迅速发展壮大。
射电天文学与其他学科有重大不同，不同之处在于它是以观测为基础的学科。观测直接和技术相关，射电望远镜口径如果越大，那么观测的灵敏度就会越高。
他向同事提出了这样的想法：“我们也来建造一个吧！”
南仁东设想的是一个 500 米口径的超级射电望远镜。然而，当时世界上最大的射电望远镜是阿雷西博射电望远镜，其口径仅为 305 米。相较而言，当时中国最大的射电望远镜口径还不到 30 米，无论是技术还是设备都极为薄弱。
很多人认为，南仁东的想法是不切实际的。然而，他并非是突然产生这样的想法。多年以来，在观测方面一直依赖外国射电望远镜的这种窘迫状况，使得他特别渴望拥有属于中国自己的超级望远镜。
选址、论证、立项、建设，哪一步都不容易。
科学家们为了给“大望远镜”找到合适的安家之地，借助卫星遥感对贵州喀斯特山区进行了全面排查。南仁东从 200 多张遥感图像中，把所有接近圆形的洼地挑选出来。接着，他一头扎进贵州的大山中，最终把目标确定在了贵州平塘的大窝凼。从 1994 年开始启动选址工作，到此时已经过去了 12 年。
“中国天眼”的建设是一项前所未有的超级大工程，它涵盖了天文学、力学、机械工程以及岩土工程等诸多领域。在每一个领域中，几乎都是开创性的工作，因为国际上并没有成熟的经验可供借鉴。南仁东带领着他的团队，脚踏实地，一步一个脚印，最终踏平了坎坷，走上了成功的大道。
2016年9月25日，“中国天眼”建成。
坚守：科研“铁军”托举大国重器
2017 年 10 月，中国科学院国家天文台进行了对外公布的动作。“中国天眼”有了新的发现，即发现了 2 颗新脉冲星。这 2 颗新脉冲星距离地球分别约 4100 光年和 1.6 万光年。
我国射电望远镜首次发现了脉冲星，此时距离“天眼之父”南仁东病逝还不到 1 个月。南仁东真正开始走进大家的视野，是在他去世之前的那一次，当时他用孱弱且沙哑的声音慢慢地说出了这样一句话：“FAST 是全世界最为先进且灵敏的射电望远镜，它将会去探索宇宙百亿光年范围内的微弱信号。”
南仁东为铸就这口“大锅”，将自己一生的心血都耗尽了。“中国天眼”最终开了“眼”，然而他却永远地闭上了双眼。不过，他给中国射电天文学开启了一个 10 年到 20 年的“黄金期”。
令人欣慰的是，“中国天眼”在调试期间的表现没有让人失望。同时，“中国天眼”在正式投入运行时的表现也没有让人失望。
“中国天眼”到目前为止已经发现了超过 370 颗脉冲星，并且在快速射电暴等研究领域获得了一系列重大的突破，它是毫无争议的“世界第一”。
FAST 中心常务副主任兼总工程师姜鹏表示，“中国天眼”的背后有一支科研“铁军”，这支队伍托起了大国重器。在面对恶劣的自然环境以及从零开始的科研项目时，FAST 团队 20 多年来始终如一地默默坚守，并且努力攻克困难。
2008 年，潘高峰博士毕业之后加入了 FAST 团队。他表示，在这 13 年的历程中，时常会遭遇“山穷水尽疑无路”那样的绝境，同时也能够体会到“柳暗花明又一村”的喜悦。如今身为 FAST 中心综合管理部主任的潘高峰，先后完成了 FAST 馈源支撑六塔的选址工作，以及大跨度柔性六索并联机器人的研制建设工作，还有动光缆的研制等任务。
清华学子姚蕊在攻读研究生阶段进入了 FAST 项目组。如今，她已成为 FAST 中心机械组的组长。在 FAST 建设的过程中，她积极探索并解决了 FAST 馈源舱超重的问题，创新性地提出了方法。最终，她摒弃了多年来圆柱体形状的设计方案，成功研制出了现在的“钻石三角形”馈源舱。
姜鹏开始后，孙京海有说不完的故事，甘恒谦有说不完的故事，于东骏有说不完的故事，钱磊也有说不完的故事……几乎每个人都有着属于自己的那一段段故事。
在大窝凼这个地方，有一群科研“铁军”，人数达百人之多，就像南仁东一样，他们默默守护着“中国天眼”。
开放：“中国天眼”让人类看得更远
美国阿雷西博望远镜曾是“世界第一”，它发生坍塌后，“中国天眼”就成为了如今全球仅有的超大型射电望远镜。“中国天眼”因其卓越的综合性能，对于天文观测和天文研究的重要性显而易见。这使得世界各国的科学家都纷纷希望借助“中国天眼”来开展研究。
2021 年 3 月 31 日开始，“中国天眼”向全球开放。各国科学家都能够提出申请，申请审核通过后，就可以使用“中国天眼”来开展观测和研究。射电天文学的初衷是让人类能够看得更远。然而，“中国天眼”是我国自主研发制造的先进大型天文观测设备，在国际上并没有任何硬性规定要求中国必须与全世界共享。因此，中国的这一举动，堪称国际科技界的一股清流。
姜鹏透露，目前国内外的天文学家申请观测十分踊跃。然而，“中国天眼”今年只会对外开放 10%的观测时间。申请观测的方向，基本上把中低频射电望远镜的前沿科学问题都覆盖了。
观测时长对于科学产出有着重要的保障作用。让姜鹏感到欣慰的是，“中国天眼”的运行情况十分稳定。它每天能够保证约 20 个小时的观测时长。每年大概可以运行 7000 个机时。在去除维护和测试时间后，正常的观测时间应该不少于 5000 个机时。
姜鹏说：“我们不仅要做世界最大，做最大相对容易，只要满地去铺，总能铺出世界最大。然而，如果要做成好用的望远镜，那就是不同难度级别的挑战了。”在调试期间，FAST 团队已经把建设时遗留的一些问题解决了。目前，由于中国科学院有稳定的经费支持，针对超级数据的传输和储存问题也已经得到了妥善处理。“中国天眼一年产生的数据约为 15PB 上下，每秒钟能产生 2GB 数据，每秒钟产生的数据量与下载一部电影的量相当。”
目前，“中国天眼”已启动 5 个重大和优先项目，包括脉冲星测时阵列、漂移扫描多科学目标巡天等。外界预测，在未来 3 至 5 年里，“中国天眼”凭借其高灵敏度，有可能在低频引力波探测、快速射电暴起源、星际分子等前沿方向取得突破。
姜鹏称，“中国天眼”发现了诸多脉冲星，这就需要进行大量的后随观测工作，此项工作给 FAST 团队带来了极为重大的挑战，他期望中国正在规划并着手打造的其他大型望远镜能够尽快完成建设。
脉冲星即为旋转的中子星，它是因为持续发出电磁脉冲信号才获得此名。从众多脉冲星里挑选出脉冲信号较为稳定的毫秒脉冲星，在未来是有希望被应用于星际导航的。
有一种说法称，5 年后，“中国天眼”观测到的脉冲星有希望达到 1000 颗。并且有可能定位并识别出银河系外的第一颗脉冲星。对此，姜鹏表明，若“中国天眼”发现河外脉冲星，尤其是黑洞双星系统，那么很可能会是诺贝尔奖级别的成果。然而，“中国天眼”仅仅是给科学家提供了一种可能性，重大成果的产出，有时还需要一些运气。
姜鹏表示，FAST 团队要转换心态以及角色定位。他们过去主要是进行建设、调试和运维，而未来将更多地转变为提供服务。同时，要建立公平的观测机制，尽力为全球科学家提供良好的服务。他还说，未来的舞台中心必定属于科学家，他们甘愿充当绿叶，去陪衬科学家的光辉。
姜鹏：FAST的建设过程是摸着石头过河
本报记者 何星辉 实习生 张 华 周泓汛
中国建造如此巨型望远镜的原因是什么呢？姜鹏介绍说，更大的望远镜意味着会有更大的收光面积，并且具备更强的暗弱信号探测能力，凭借这些，能够大大扩展可观测样本的数量，有助于人类探测到更为遥远的宇宙现象。
不过，“更大”这一目标做起来容易说起来难。在世界范围内，传统望远镜的建造技术从 1972 年起就进入了一个难以突破的阶段。在那时候，德国人将望远镜建造的最大口径提升到了 100 米，从那之后，要再有任何突破都变得极为困难。
天眼名为“FAST”，其英文含义为“快”，然而整个望远镜的建设历程以及调试历程与“快”字毫无关联。姜鹏表示，从最初的想法提出到如今的模样，“中国天眼”原先的设计方案经历了巨大的变化，科研人员日夜不停地进行分析和论证，逐一克服了一个又一个技术难关。
提及“中国天眼”的建设难度时，姜鹏用了“连滚带爬”来形容。因为它是全新的射电望远镜，没有可遵循的先例，整个建设和运行过程都得摸着石头过河。现在回头看，尽管付出了巨大努力，但也有运气的成分。如果推倒重来，能否建得比现在好，确实没有十足把握。
目前，“中国天眼”已经产出了一系列科学成果。它借助超高灵敏度，使得脉冲星的计时精度能够提升 4 到 50 倍。这表明人们将有机会首次探测到纳赫兹引力波。在其他相关领域，FAST 在未来能够发挥出重要作用，这同样令人期待。
姜鹏表示，“中国天眼”确实让中国在中低频射电领域取得了领先地位。然而，不能因这一成就而盲目乐观，因为在其他波段上，中国还有诸多方面需要付出努力。
姜鹏觉得，“中国天眼”的意义在于能够为科学家提供服务，能够为深空探测作出贡献。不过，姜鹏也持有这样的观点，即重大的科学发现既不单靠设备的优良性能，也不单靠科学家的敏锐洞察力，或许还需要一些运气。
调试期间，“中国天眼”遭遇过 10 万年薪都招不到驻地科研人才的困境。如今，正式运行后的“中国天眼”，其人才队伍状况如何呢？对此，姜鹏称，当下在现场负责运维的队伍较为稳定，今年会加大宣传力度并加强招聘，以吸引更多年轻人加入，从而形成合理的人才梯队，为“中国天眼”的正常运转提供人才方面的支撑。
事实上，“中国天眼”早就进行了布局。从 2019 年开始，中国科学院国家天文台已经与贵州的高校展开联合培养人才的工作。通过这种方式，一方面能够让“中国天眼”在当地获取人才，另一方面也可以为贵州培养本土的人才，这真的可以说是一举两得，实现了双赢的局面。
在大窝凼中，倘若运气较为充足，爬到某一个山顶，或许能够看到在雾中的那美丽的“中国天眼”。要是在晚上前往，就可以看见那美丽的星空。
姜鹏称，这是一道十分亮丽的科学景象。为了能呈现出这道景象，坚守成为了一种必然的抉择。
它是当之无愧的世界第一
500米口径
“中国天眼”的全称为 500 米口径的球面射电望远镜，它简称为 FAST。
11.5亿元造价
“中国天眼”的建设耗费了 11.5 亿元。这一造价与不到两公里地铁的造价相当。更为重要的是，那种特殊的望远镜以及大量的运动部件和机械装置，在历史上是没有可借鉴之处的。
20年保持领先
“中国天眼”具备世界领先的绝对灵敏度。它将在宇宙演化领域、脉冲星探测领域、星际分子搜寻领域等，给中国科学家带来前所未有的机遇。由于射电天文学正高速发展，“中国天眼”的灵敏度优势预计能够保持 10 到 20 年。
5000机时
目前，“中国天眼”的运行情况较为稳定。它每天能够保证约 20 个小时的观测时长。每年大概能够运行 7000 个机时。在去除维护和测试时间后，其正常观测时间每年应当不少于 5000 个机时。
370多颗脉冲星被发现
“中国天眼”到目前为止已发现了超过 370 颗脉冲星。它在快速射电暴等研究领域取得了一系列重大突破。它当之无愧是世界第一。据预测，5 年后，“中国天眼”观测到的脉冲星有希望达到 1000 颗。
70多篇高水平论文
FAST 数据发表的高水平论文有 70 多篇。国际学术期刊《自然》连续发表了我国科研团队在快速射电暴领域取得的重要研究成果。“中国天眼”对快速射电暴进行了深度观测并取得重要科学进展。
（本报记者 何星辉 实习生 张华 周泓汛整理）
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