“中国天眼”展现出的科学实力让全球瞩目,迅速提升中国射电天文的国际地位

 没有伞的孩子必须努力奔跑     

贵州的那口大锅最近接连炖出了两锅好菜。


11月5日和10月29日,两篇基于500米口径球面射电望远镜(FAST)在快速射电暴方面的研究成果在《自然》杂志发表,让“中国天眼”再次成为射电天文学界瞩目的焦点。


这两篇重要的论文,无疑也让中国射电天文人的信心更加坚定。用中国科学院院士、FAST科学委员会主任武向平的话说,有了“中国天眼”这台“大国利器”之后,中国射电天文的国际地位正在迅速上升。


总工程师的新梦想


FAST从预研到完成花费了26年的时间,近百名科研工作者前赴后继投入到这个项目中。FAST于2016年落成,它的反射面相当于30个足球场,是世界最灵敏的射电望远镜,大大拓展了人类在射电波段的视野,也使中国射电天文学家终于有机会走到科学探索的最前沿。

“中国天眼”展现出的科学实力让全球瞩目,迅速提升中国射电天文的国际地位

FAST的全新设计理念开创了建造巨型望远镜的新模式,多年来,工程团队开展了一系列的技术攻关,克服了力学、测量、控制、材料、大尺度结构等领域诸多技术难题,实现了多项自主创新,终于使得望远镜于2020年1月11日通过国家验收,所有技术指标均达到设计要求。


这让中科院国家天文台研究员、FAST总工程师姜鹏颇感欣慰:“我们通过20多年的努力,把一个天马行空的设想变成了国之重器。但我们现在又有了一个新的梦想,那就是进一步提高望远镜性能,建立公开共享的机制,源源不断地产生科学成果,这才是我们为望远镜付出的终极目标。”


今年2月,FAST团队克服疫情影响,正式启动科学委员会遴选出的五个优先和重大项目,近百名科学家开始使用并处理FAST的科学数据;4月,时间分配委员会开始向国内天文界征集自由申请项目,目前已经接到170余份申请,而且外部用户的比例高达95.7%。


“科研人员对FAST观测时间的竞争相当激烈。”中科院国家天文台台长、中科院院士常进介绍,目前望远镜收到的申请共约5500个小时,但实际获得批准的仅有1500个机时,也就是只有不到30%的申请时间能得到支持。


新物理的核心


用户挤破头的情况很大程度上反映了FAST的科学潜力。FAST的灵敏度是全球第二大单口径射电望远镜的2.5倍以上,超强灵敏度使其在射电瞬变源方面具有重大潜力,有望实现纳赫兹的引力波探测。同时,它还有能力将我国深空探测及通讯能力延伸至太阳系边缘,满足国家重大战略需求。


最近令天文学家百思不得其解的毫秒射电爆发就是一个典型的例子。在广袤的宇宙中,经常有一股射电暴袭来,但仅仅闪现几个毫秒。究竟是谁发出了这些射电暴?它们里到底包含了什么信息?一系列的谜团让毫秒射电爆发迅速成为天文学界的前沿问题。


“几个毫秒就没了的东西非常难抓,因此这个问题也几乎是天文学中最难的问题之一。”中科院国家天文台首席研究员韩金林说,“实际上,对于这个问题的理论模型数量比实际观测的快速射电暴数目还要多。”


此前,这些理论研究主要划分成了两大“门派”,一个“门派”认为这样的毫秒射电爆发是宇宙灾变事件造成的爆发,而另一队则认为它是粒子在强磁场中穿行产生的。


“FAST的观测结果直接终结了两大门派的‘理论争锋’,通过对11次射电爆发的高灵敏度偏振信号解析,我国科研人员用直接的观测结果否定了宇宙灾变的理论。”韩金林说。


凭借着一系列的“实锤”,FAST一举将我国相关科研团队送上了宇宙毫秒射电爆发新物理的核心地位。


中国的“黄金”十年


在开放运行的300天里,“中国天眼”展现出的科学实力已经令人印象深刻。目前,FAST已发现脉冲星数量超过240颗,基于FAST数据发表的论文达到40余篇。


“1967年,人们发现了第一颗脉冲星;直到50年后,中国人才看用自己的射电望远镜FAST发现了第一颗新脉冲星。”武向平说,“在很短时间内,FAST已经发现了240多颗脉冲星,我们期望在未来五年,这一数字能达到1000颗,甚至能找到银河系外的第一颗脉冲星。”

“中国天眼”展现出的科学实力让全球瞩目,迅速提升中国射电天文的国际地位

天文学是高度依赖观测设备的一门学科,长期以来,由于没有大射电望远镜,中国射电天文学家无法拿到一手资料,在射电天文研究领域难以进入国际先进行列。


但FAST的诞生改变了这一格局。武向平告诉《中国科学报》,现在在射电观测设备和人才队伍两个方面,中国已经位居世界第一梯队。


实际上,中国射电天文人的雄心和路径都已十分清晰:用好FAST这口自己的“大锅”,同时积极参与国际合作项目——平方公里阵列望远镜(SKA)的数千个“小锅”,跻身射电天文学研究的前沿;武向平透露,他们在考虑将FAST编入国际干涉阵列望远镜的网络VLBI中去,而在FAST周围再建几口大“锅”也不是不可能……


“明年,FAST还会对全世界开放。虽然这个望远镜是中国人掏钱建的,但我们应有大国的胸襟,为人类探索宇宙奥秘作出贡献。”武向平相信,未来10年,中国将迎来射电天文发展的黄金时期。“我们要利用这个宝贵的窗口期,做出重大的科学发现,为人类探索和认识宇宙做出重大贡献。”


延伸阅读:


不负众望!中国天眼累计发现240多颗脉冲星


4日,中国科学院国家天文台召开新闻发布会宣布,中国天眼(FAST)自今年1月验收以来,设施运行稳定可靠,近一年已经观测服务超过5200个机时,达到预期设计目标近2倍。截至目前,FAST累计发现脉冲星数量超过240颗,基于FAST数据发表的高水平论文达到40余篇。FAST在快速射电暴方面的研究成果5日凌晨发表在国际科学期刊《自然》杂志上。


今年2月,FAST团队克服疫情影响,正式启动科学委员会遴选出的五个“优先和重大项目”,近百名科学家开始使用并处理FAST的科学数据。


“今年4月,时间分配委员会开始向国内天文界征集自由申请项目,目前已经接到170余份申请,申请的总时间约5500个小时,实际批准1500个机时,只有30%能得到支持,可见FAST望远镜观测时间竞争相当激烈。”中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进说。


FAST于2016年落成,它的反射面面积与大约30个标准足球场相当,是全球最灵敏的单口径射电望远镜,大大拓展了人类的视野,也使中国天文学家有机会走到射电天文研究的最前沿。


常进表示,FAST全新的设计理念开创了建造巨型望远镜的新模式,突破了传统全可动射电望远镜口径大约百米的工程极限,同时也带来了极大的技术挑战。


FAST巨大的反射面能根据天体的位置实时地主动调节形状,30吨的馈源舱在140米的高空、206米的范围运动,所有的控制精度要达到毫米级。巨大工程体量、超高精度要求及特殊的工作方式,使FAST面临前所未有的技术挑战。

“中国天眼”展现出的科学实力让全球瞩目,迅速提升中国射电天文的国际地位

为此,工程团队开展了一系列的技术攻关,克服了力学、测量、控制、材料、大尺度结构等领域诸多技术难题。


工程团队研制了超高耐疲劳特性的钢索,超过国内、国际相关标准规范的2.5倍;创新地采用世界上最大跨度柔性并联机器人和刚性6自由度并联机器人构成的两级调整机构,实现了馈源均方根值10毫米的高精度定位;创造性地将卫星定位、惯导和全站仪多种测量技术融合,实现了全天候、大尺度、高精度、高采样率的馈源支撑系统动态测量。


随着性能的提升,FAST科学潜力逐步显现。“FAST的灵敏度是全球第二大单口径射电望远镜的2.5倍以上,这是中国建造的射电望远镜第一次在灵敏度这个重要指标上占据到了世界的制高点,对促进我国天文学实现重大原创突破具有重要意义。”FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏说,超高灵敏度使其在射电瞬变源方面具有重大潜力,有望在短时间内实现纳赫兹的引力波探测、捕捉到宇宙大爆炸时期的原初引力波,为研究宇宙大爆炸原初时刻的物理过程提供数据支撑。


同时,FAST还有能力将我国深空探测及通讯能力延伸至太阳系边缘,满足国家重大战略需求。


中国天眼FAST是由人民科学家、时代楷模南仁东先生于上世纪九十年代提出构想,历时二十余年建设完成的巨型射电望远镜,前后四代数百名科研工作者前赴后继为FAST建设调试运行付出了巨大努力。


注:文中图片来自国家天文台


来源:科技日报记者 陆成宽、中国科学报 丁佳

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