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东西问丨姜鹏:“中国天眼”为何能吸引世界瞩目?

来源:中国新闻网2021-11-23 15:55

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  (东西问)姜鹏:“中国天眼”为何能吸引世界瞩目?

  中新社贵阳11月22日电 题:“中国天眼”为何能吸引世界瞩目?

  ——专访中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”总工程师姜鹏

  中新社记者 张伟

  “天何所沓?十二焉分?日月安属?列星安陈?”中国战国时期诗人屈原在他创作的长诗《天问》中面对宇宙星空发出惊天一问。面对未知的宇宙星空,古今中外的科学家制作了一批又一批精巧、宏伟、雅致的天文仪器,从中国汉代落下闳的“浑仪”到1608年荷兰人汉斯用水晶造出的第一台望远镜,再到阿雷西博射电望远镜、“中国天眼”等,拉近了人类与星空的距离。

  位于贵州省黔南布依族苗族自治州平塘县大窝凼的500米口径球面射电望远镜(简称FAST),有“中国天眼”的美誉。作为世界上最大的也是最灵敏的单口径射电望远镜——“中国天眼”为何能吸引全世界的目光?中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”总工程师姜鹏近日接受中新社“东西问”独家专访,对上述问题进行解答。

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  资料图:2021年2月7日拍摄的500米口径球面射电望远镜(FAST)。中新社记者 瞿宏伦 摄

  现将访谈实录摘要如下:

  中新社记者:“中国天眼”建设初衷是什么?

  姜鹏:FAST最初被国际天文联合会弃用后,走上中国独立自主研发道路。以南仁东先生为代表的中国科学家开始FAST的建设探索,开启了“把不可能变成可能”的征途。最初从发展推动“十一五”大科学装置来立项,最后走到现在成为世界上最大的也是最灵敏的单口径射电望远镜。

  FAST建设的初衷就是在地球电磁波环境还能进行天文观测的时候进行天文研究。FAST最早起源于一个国际合作项目。在1993年京都举行国际无线电科学联合会上,包括中国在内的多个国家提出倡议,希望在地球电磁波环境被破坏前,建造新一代大射电望远镜,FAST是方案之一。当时主要有两个论点:一种是建一堆小的,口径10米、20米;另一种是建设类似FAST的大型望远镜。因为国际上认为单口径大射电望远镜风险较大且有区域限制等,FAST未被“LT”(大口径射电望远镜)实施方案选中。后来建一堆小望远镜成为国际主流,也就是“SKA”平方公里阵列射电望远镜。

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  资料图:“中国天眼”总控室一隅。中新社记者 瞿宏伦 摄

  中新社记者:与国外不同类型天文望远镜相比,“中国天眼”的特色和优势在哪里?

  姜鹏:FAST是当今射电天文学的“重器”。其基本原理是什么呢?我们都知道,平行电磁波遇到抛物面反射后会汇聚到焦点的位置。对射电望远镜来说,把反射面做成抛物面的形状,然后在焦点位置放置一台接收机,就可以收集天体发出的电磁波信号,从而进行天文观测。抛物面的面积越大,汇集的信号就越多,也就越能探测到更暗弱、更遥远的天体。

  FAST是一个全新的望远镜概念,它的设计方案是从来没有过的,这也是它能突破传统望远镜百米口径工程极限的前提。对望远镜而言,灵敏度是最关键指标之一。FAST巨大口径带来高灵敏度,探测暗弱信号能力更强,可以极大扩展可观测量样本数量,同时可以看到更遥远的天文学现象。

  FAST的设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜,主要体现在反射面和馈源舱系统上。作为世界首创,FAST是主动反射面,可以改变形状,一会儿是球面,一会儿是抛物面。由6670根钢索编制的索网,挂在由50根巨大钢柱支撑、直径500米的圈梁上;索网上铺有4450块、380多种反射面单元;索网下方是2225根下拉索,每一根下拉索都被固定在地面上的促动器上,通过操纵促动器,拉动下拉索来改变索网形状,从而对天文信号进行收集和观测。

  馈源舱也是一个大胆的突破性设计。FAST采用全新的轻型索驱动控制系统,可以自如改变角度和位置,更有效地收集、跟踪、监测更丰富的宇宙电磁波。馈源舱重约30吨。体积小带来有效减少光路遮挡、减少干扰信号等多方面优势,更有利于天文观测。

  目前,FAST已经实现跟踪、漂移、运动扫描、编织扫描等,提前完成功能性调试。在性能调试方面,FAST直径500米,却要实现毫米级精度,难度相当大。测量基准网的精度已提升至1毫米以内,其中,灵敏度水平是世界第二大望远镜(阿雷西博,已经于2020年12月倒塌)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上占据制高点。另外,19波束已经完成安装,其意义也非常重大:可将望远镜视场扩大至原来的19倍,大幅提升望远镜巡天效率。

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  资料图:在FAST圈梁上鱼眼镜头拍摄的“中国天眼”。中新社记者 孙自法 摄

  中新社记者:海内外科学家对“中国天眼”的落成启用寄予厚望,它的成果对科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展有何意义?

  姜鹏:FAST的落成启用将为海内外的科学家提供一个机遇,FAST具有看到别人看不到的空间区域的能力。例如,目前FAST所发现的脉冲星数量已超过500颗,是同一时期国际上所有其它望远镜发现数量总和的4倍以上。脉冲星是正在快速旋转的中子星,密度极高,每立方厘米重达上亿吨。它自转速度很快、自转周期精确,堪称宇宙中最精确的时钟。因此,基于脉冲星测时研究,不仅有可能建立“宇宙导航系统”,有助于人类在未来实现星际旅行的梦想,还可能发现低频引力波,这将打开天文学观测的新窗口。

  目前,基于FAST高水平研究成果已超百篇,4篇研究成果已经在《自然》(Nature)发表或接收。目前较有影响力的成果是关于快速射电暴,其提示了磁层在快速射电暴现象中起到的主导作用。此外,发现的500余颗脉冲星,也是巨大的宝藏,未来我们将持续对它们进行后随观测,以揭开它们更深层的秘密。

  但是我们必须明白,更加重要的科学发现也是需要运气支撑的。我们扩展了可观测样本的数量,但那里是不是有我们想要找到的奇异天体,例如脉冲星黑洞双星系统或者亚毫秒脉冲星等,甚至我们是否真的能探测到低频引力波,包括对临近星系M31进行观测,能否最终帮助我们理解暗物质的性质,是否能找到第一颗河外射电脉冲星?这些都需要事实来检验。

  对于FAST,我们还在做一些技术方面研究,在原有基础上进一步提升性能,如发展新测量技术、提高频率、发展新接收机技术等来解决一些难题。在测量技术方面也有一些考虑,如采用微波测距技术代替光学测量系统,以做到全天候高精度测量控制,从而确保FAST稳定运行。

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  资料图:“中国天眼”征集观测申请网页。中新社记者 瞿宏伦 摄

  中新社记者:“中国天眼”已对全球科学家开放,目前的申请观测情况如何?未来在加强国内外开放共享等方面有哪些构想?

  姜鹏:FAST向世界全面开放,彰显了中国与国际科学界充分合作的理念。在开放合作中,中国的科学重器将更好地发挥效能,促进重大成果产出,为全人类探索和认识宇宙作出贡献。

  截至目前,国外科学家已有30余份申请约800个机时,已有一半左右的申请机时得到支持。国外的申请观测主要是探测脉冲星等,基本与国内关注的方向一致,都是基于FAST的基本功能,从研究方向上来说国外申请观测的分布比较正常,具体在观测细节上会有中外差异。

  国内外科学家在FAST使用及观测的科研是一个相互学习的过程。在FAST的调试阶段,中国的科研团队就已同国外科学家有很多接触,一些著名的研究员也是从国外引进以开展技术交流合作。可说,FAST的国际交流与合作目前处于一个比较正常和理想的状态。

  国家指导下,FAST正在进行一些国际开放的工作。随着时间推移,FAST开放程度可能会越来越高,伴随科学家对FAST性能的理解,相信以后国外申请的竞争也会更加激烈。

  天文学本就是一个比较开放的学科,因为它是一个满足人类好奇心的学科,对人类现在的生存条件或者切身利益关联性不大。FAST的国际合作一直都有,包括现在一些项目研究,也有国外团队在做支撑。FAST的数据在合作开放后,国外科学家也可以有同等权利对数据进行分析。

  FAST的预期目标,就是加大前沿方向探索,加强国内外开放共享,推动重大成果产出,勇攀世界科技高峰。我们将努力“用好”“天眼”,产生更多科研成果,推动人类对宇宙的探索和认知。(完)

  受访者简介:

  姜鹏,1978年12月出生,固体力学博士。现为中国科学院国家天文台研究员、博士生导师,主要研究方向为射电天文技术。目前担任“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)总工程师,全面负责FAST望远镜运行和维护的相关技术工作,是长期工作在该工程一线的青年代表,为推动FAST通过国家验收做出重要贡献。目前,姜鹏作为项目负责人主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目9项;已发表论文50余篇,获得授权专利近30项;组织出版FAST调试运行期间的相关成果专刊2部。

[ 责编:王宏泽 ]
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