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東西問 | 姜鵬:“中國天眼”為何能吸引世界矚目?

2021年11月23日 10:03 來源:中國新聞網

  (東西問)姜鵬:“中國天眼”為何能吸引世界矚目?

  中新社貴陽11月22日電 題:“中國天眼”為何能吸引世界矚目?

  ——專訪中國科學院國家天文臺研究員、“中國天眼”總工程師姜鵬

  中新社記者 張偉

  “天何所沓?十二焉分?日月安屬?列星安陳?”中國戰國時期詩人屈原在他創作的長詩《天問》中面對宇宙星空發出驚天一問。面對未知的宇宙星空,古今中外的科學家制作了一批又一批精巧、宏偉、雅致的天文儀器,從中國漢代落下閎的“渾儀”到1608年荷蘭人漢斯用水晶造出的第一臺望遠鏡,再到阿雷西博射電望遠鏡、“中國天眼”等,拉近了人類與星空的距離。

  位于貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼的500米口徑球面射電望遠鏡(簡稱FAST),有“中國天眼”的美譽。作為世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠鏡——“中國天眼”為何能吸引全世界的目光?中國科學院國家天文臺研究員、“中國天眼”總工程師姜鵬近日接受中新社“東西問”獨家專訪,對上述問題進行解答。

資料圖:2021年2月7日拍攝的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)。中新社記者 瞿宏倫 攝
資料圖:2021年2月7日拍攝的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)。中新社記者 瞿宏倫 攝

  現將訪談實錄摘要如下:

  中新社記者:“中國天眼”建設初衷是什么?

  姜鵬:FAST最初被國際天文聯合會棄用后,走上中國獨立自主研發道路。以南仁東先生為代表的中國科學家開始FAST的建設探索,開啟了“把不可能變成可能”的征途。最初從發展推動“十一五”大科學裝置來立項,最后走到現在成為世界上最大的也是最靈敏的單口徑射電望遠鏡。

  FAST建設的初衷就是在地球電磁波環境還能進行天文觀測的時候進行天文研究。FAST最早起源于一個國際合作項目。在1993年京都舉行國際無線電科學聯合會上,包括中國在內的多個國家提出倡議,希望在地球電磁波環境被破壞前,建造新一代大射電望遠鏡,FAST是方案之一。當時主要有兩個論點:一種是建一堆小的,口徑10米、20米;另一種是建設類似FAST的大型望遠鏡。因為國際上認為單口徑大射電望遠鏡風險較大且有區域限制等,FAST未被“LT”(大口徑射電望遠鏡)實施方案選中。后來建一堆小望遠鏡成為國際主流,也就是“SKA”平方公里陣列射電望遠鏡。

資料圖:“中國天眼”總控室一隅。中新社記者 瞿宏倫 攝
資料圖:“中國天眼”總控室一隅。中新社記者 瞿宏倫 攝

  中新社記者:與國外不同類型天文望遠鏡相比,“中國天眼”的特色和優勢在哪里?

  姜鵬:FAST是當今射電天文學的“重器”。其基本原理是什么呢?我們都知道,平行電磁波遇到拋物面反射后會匯聚到焦點的位置。對射電望遠鏡來說,把反射面做成拋物面的形狀,然后在焦點位置放置一臺接收機,就可以收集天體發出的電磁波信號,從而進行天文觀測。拋物面的面積越大,匯集的信號就越多,也就越能探測到更暗弱、更遙遠的天體。

  FAST是一個全新的望遠鏡概念,它的設計方案是從來沒有過的,這也是它能突破傳統望遠鏡百米口徑工程極限的前提。對望遠鏡而言,靈敏度是最關鍵指標之一。FAST巨大口徑帶來高靈敏度,探測暗弱信號能力更強,可以極大擴展可觀測量樣本數量,同時可以看到更遙遠的天文學現象。

  FAST的設計不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡,主要體現在反射面和饋源艙系統上。作為世界首創,FAST是主動反射面,可以改變形狀,一會兒是球面,一會兒是拋物面。由6670根鋼索編制的索網,掛在由50根巨大鋼柱支撐、直徑500米的圈梁上;索網上鋪有4450塊、380多種反射面單元;索網下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面上的促動器上,通過操縱促動器,拉動下拉索來改變索網形狀,從而對天文信號進行收集和觀測。

  饋源艙也是一個大膽的突破性設計。FAST采用全新的輕型索驅動控制系統,可以自如改變角度和位置,更有效地收集、跟蹤、監測更豐富的宇宙電磁波。饋源艙重約30噸。體積小帶來有效減少光路遮擋、減少干擾信號等多方面優勢,更有利于天文觀測。

  目前,FAST已經實現跟蹤、漂移、運動掃描、編織掃描等,提前完成功能性調試。在性能調試方面,FAST直徑500米,卻要實現毫米級精度,難度相當大。測量基準網的精度已提升至1毫米以內,其中,靈敏度水平是世界第二大望遠鏡(阿雷西博,已經于2020年12月倒塌)的2.5倍以上,這是中國建造的射電望遠鏡第一次在靈敏度上占據制高點。另外,19波束已經完成安裝,其意義也非常重大:可將望遠鏡視場擴大至原來的19倍,大幅提升望遠鏡巡天效率。

資料圖:在FAST圈梁上魚眼鏡頭拍攝的“中國天眼”。中新社記者 孫自法 攝
資料圖:在FAST圈梁上魚眼鏡頭拍攝的“中國天眼”。中新社記者 孫自法 攝

  中新社記者:海內外科學家對“中國天眼”的落成啟用寄予厚望,它的成果對科學前沿實現重大原創突破、加快創新驅動發展有何意義?

  姜鵬:FAST的落成啟用將為海內外的科學家提供一個機遇,FAST具有看到別人看不到的空間區域的能力。例如,目前FAST所發現的脈沖星數量已超過500顆,是同一時期國際上所有其它望遠鏡發現數量總和的4倍以上。脈沖星是正在快速旋轉的中子星,密度極高,每立方厘米重達上億噸。它自轉速度很快、自轉周期精確,堪稱宇宙中最精確的時鐘。因此,基于脈沖星測時研究,不僅有可能建立“宇宙導航系統”,有助于人類在未來實現星際旅行的夢想,還可能發現低頻引力波,這將打開天文學觀測的新窗口。

  目前,基于FAST高水平研究成果已超百篇,4篇研究成果已經在《自然》(Nature)發表或接收。目前較有影響力的成果是關于快速射電暴,其提示了磁層在快速射電暴現象中起到的主導作用。此外,發現的500余顆脈沖星,也是巨大的寶藏,未來我們將持續對它們進行后隨觀測,以揭開它們更深層的秘密。

  但是我們必須明白,更加重要的科學發現也是需要運氣支撐的。我們擴展了可觀測樣本的數量,但那里是不是有我們想要找到的奇異天體,例如脈沖星黑洞雙星系統或者亞毫秒脈沖星等,甚至我們是否真的能探測到低頻引力波,包括對臨近星系M31進行觀測,能否最終幫助我們理解暗物質的性質,是否能找到第一顆河外射電脈沖星?這些都需要事實來檢驗。

  對于FAST,我們還在做一些技術方面研究,在原有基礎上進一步提升性能,如發展新測量技術、提高頻率、發展新接收機技術等來解決一些難題。在測量技術方面也有一些考慮,如采用微波測距技術代替光學測量系統,以做到全天候高精度測量控制,從而確保FAST穩定運行。

資料圖:“中國天眼”征集觀測申請網頁。中新社記者 瞿宏倫 攝
資料圖:“中國天眼”征集觀測申請網頁。中新社記者 瞿宏倫 攝

  中新社記者:“中國天眼”已對全球科學家開放,目前的申請觀測情況如何?未來在加強國內外開放共享等方面有哪些構想?

  姜鵬:FAST向世界全面開放,彰顯了中國與國際科學界充分合作的理念。在開放合作中,中國的科學重器將更好地發揮效能,促進重大成果產出,為全人類探索和認識宇宙作出貢獻。

  截至目前,國外科學家已有30余份申請約800個機時,已有一半左右的申請機時得到支持。國外的申請觀測主要是探測脈沖星等,基本與國內關注的方向一致,都是基于FAST的基本功能,從研究方向上來說國外申請觀測的分布比較正常,具體在觀測細節上會有中外差異。

  國內外科學家在FAST使用及觀測的科研是一個相互學習的過程。在FAST的調試階段,中國的科研團隊就已同國外科學家有很多接觸,一些著名的研究員也是從國外引進以開展技術交流合作??烧f,FAST的國際交流與合作目前處于一個比較正常和理想的狀態。

  國家指導下,FAST正在進行一些國際開放的工作。隨著時間推移,FAST開放程度可能會越來越高,伴隨科學家對FAST性能的理解,相信以后國外申請的競爭也會更加激烈。

  天文學本就是一個比較開放的學科,因為它是一個滿足人類好奇心的學科,對人類現在的生存條件或者切身利益關聯性不大。FAST的國際合作一直都有,包括現在一些項目研究,也有國外團隊在做支撐。FAST的數據在合作開放后,國外科學家也可以有同等權利對數據進行分析。

  FAST的預期目標,就是加大前沿方向探索,加強國內外開放共享,推動重大成果產出,勇攀世界科技高峰。我們將努力“用好”“天眼”,產生更多科研成果,推動人類對宇宙的探索和認知。(完)

  受訪者簡介:

  姜鵬,1978年12月出生,固體力學博士?,F為中國科學院國家天文臺研究員、博士生導師,主要研究方向為射電天文技術。目前擔任“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)總工程師,全面負責FAST望遠鏡運行和維護的相關技術工作,是長期工作在該工程一線的青年代表,為推動FAST通過國家驗收做出重要貢獻。目前,姜鵬作為項目負責人主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目9項;已發表論文50余篇,獲得授權專利近30項;組織出版FAST調試運行期間的相關成果???部。


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