中國(guó)天眼建設(shè)過(guò)程案例

中國(guó)天眼建設(shè)過(guò)程案例

眼力決定眼界。1月11日，當(dāng)被譽(yù)為“中國(guó)天眼”的500米口徑球面射電

望遠(yuǎn)鏡通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收正式開(kāi)放運(yùn)行，成為全球最大且最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡，也意

味著人類向宇宙未知地帶探索的眼力更加深邃，眼界更加開(kāi)闊。

2顆，11顆，43顆，93顆，102顆……從2017年10月“中國(guó)天眼”首

次發(fā)現(xiàn)2顆脈沖星，到11日召開(kāi)的國(guó)家驗(yàn)收會(huì)上公布已發(fā)現(xiàn)102顆脈沖星，它

兩年多來(lái)發(fā)現(xiàn)的脈沖星超過(guò)同期歐美多個(gè)脈沖星搜索團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)數(shù)量的總和。

大器晚成，問(wèn)鼎射電望遠(yuǎn)鏡之巔

“中國(guó)天眼”的靈敏度達(dá)到世界第二大射電望遠(yuǎn)鏡的2.5倍以上，可有效探

索的空間范圍體積擴(kuò)大4倍，使科學(xué)家有能力發(fā)現(xiàn)更多未知星體、未知宇宙現(xiàn)象、

未知宇宙規(guī)律……

驗(yàn)收會(huì)上，中科院院士武向平等6位專家分別宣讀工藝驗(yàn)收、電波環(huán)境保護(hù)

等驗(yàn)收意見(jiàn)，國(guó)家發(fā)改委高技術(shù)司副司長(zhǎng)沈竹林宣布“中國(guó)天眼”各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)

到或優(yōu)于批復(fù)的驗(yàn)收指標(biāo)，主要性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，具備了開(kāi)放運(yùn)行條

件。

國(guó)家天文臺(tái)研究員、“中國(guó)天眼”總工程師姜鵬認(rèn)為，通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收意味著

“中國(guó)天眼”完成了工程師和科學(xué)家之間的交接棒，“火力全開(kāi)”投入科學(xué)觀測(cè)，

接下來(lái)兩三年內(nèi)將有一系列重要科學(xué)產(chǎn)出，同時(shí)進(jìn)一步穩(wěn)定望遠(yuǎn)鏡的性能。

古人感嘆，天邊眼力破萬(wàn)里；而今，“天眼”的眼力破億光年。它靜若處子，

除了反射面變形時(shí)上千個(gè)液壓促動(dòng)器一齊低吼，幾乎不會(huì)動(dòng)。它又迅若奔雷，每

秒最高傳輸基帶數(shù)據(jù)38G，每小時(shí)接收的平均有效科學(xué)數(shù)據(jù)約3.6T。

從宇宙星辰，到基本粒子，人類的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)創(chuàng)新越來(lái)越離不開(kāi)強(qiáng)大的

科研儀器，特別是大科學(xué)裝置，與創(chuàng)新思維共同構(gòu)成了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)突破的必要

條件。

中科院院士、天體物理學(xué)家方成認(rèn)為，中國(guó)曾是世界上天文記錄最久遠(yuǎn)、最

完整的國(guó)家。在超過(guò)3000年的時(shí)間里，連續(xù)不斷地記錄著各種天文現(xiàn)象，包括

日食和月食、太陽(yáng)黑子、彗星和流星、客星（新星和超新星）等。中國(guó)古代天文

學(xué)家編制了100多種天文歷法，也發(fā)明了大量的天文儀器。

“但近代以來(lái)，中國(guó)天文學(xué)跟其他科學(xué)技術(shù)一樣，大大落后于率先完成工業(yè)

革命的西方國(guó)家，很多先進(jìn)的儀器見(jiàn)都沒(méi)見(jiàn)過(guò)。”國(guó)家天文臺(tái)研究員韓金林說(shuō)，

即便在上世紀(jì)，老一輩天文學(xué)家也只能尋求與國(guó)外合作，相當(dāng)于借用別人的望遠(yuǎn)

鏡，大多只能做一些邊緣課題。

以王綬琯、南仁東等為代表的中國(guó)第一代、第二代天文學(xué)家，努力縮小中國(guó)

與世界先進(jìn)水平的差距，擔(dān)起“趕潮兒”的責(zé)任。

1993年，包括中國(guó)在內(nèi)的10個(gè)國(guó)家的天文學(xué)家，提出建造新一代射電“大

望遠(yuǎn)鏡”的倡議，渴望回溯原初宇宙，解答天文學(xué)難題。

當(dāng)時(shí)，懷著回報(bào)民族的赤誠(chéng)和描繪宇宙的初心，活躍在國(guó)際天文界的南仁東

毅然回國(guó)，力主中國(guó)獨(dú)立建造射電“大望遠(yuǎn)鏡”。

從1994年開(kāi)始選址和預(yù)研究，到2016年9月25日“中國(guó)天眼”落成啟

用，南仁東率團(tuán)隊(duì)用20多年幫助中國(guó)實(shí)現(xiàn)了追趕——建成了世界最大的射電望

遠(yuǎn)鏡。

目光如炬，摘星于百億光年之外

可能有人會(huì)問(wèn)，既然“中國(guó)天眼”3年前落成啟用了，為什么今天才驗(yàn)收呢？

實(shí)際上，要實(shí)現(xiàn)科學(xué)家的各種觀測(cè)意圖，達(dá)成穩(wěn)定可靠的靈敏度，對(duì)望遠(yuǎn)鏡來(lái)說(shuō)

并非易事。

從世界最大到世界最靈敏，正是“中國(guó)天眼”3年來(lái)一刻不停調(diào)試和試觀測(cè)

的目標(biāo)和成果。它的觀測(cè)范圍能企及河外星系甚至百億光年之外的宇宙邊緣。

靈敏度和分辨率是射電望遠(yuǎn)鏡的兩大核心指標(biāo)。由于星體距離地球十分遙遠(yuǎn)，

到達(dá)地球時(shí)能量微弱，靈敏度是科學(xué)家發(fā)現(xiàn)暗弱天體的能力，而要想進(jìn)一步看清

遙遠(yuǎn)天體的真實(shí)面貌，就要依靠分辨率。

“靈敏度是最‘硬’的指標(biāo)，基本由望遠(yuǎn)鏡的口徑限定死了。相比之下，分

辨率則可以通過(guò)多臺(tái)相對(duì)小的望遠(yuǎn)鏡協(xié)同配合來(lái)提高。”國(guó)家天文臺(tái)副研究員錢

磊介紹。

“開(kāi)創(chuàng)了建造巨型射電望遠(yuǎn)鏡的新模式，突破了傳統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的工程極限，采

用全新設(shè)計(jì)方案、口徑更大的‘中國(guó)天眼’，比國(guó)外同類望遠(yuǎn)鏡的調(diào)試期更短，

遠(yuǎn)超國(guó)際慣例和同行預(yù)期。”姜鵬說(shuō)。

從下面的幾組數(shù)據(jù)，我們可以窺見(jiàn)“中國(guó)天眼”的身形：

大——反射面由4450個(gè)反射單元構(gòu)成，總面積為25萬(wàn)平方米，相當(dāng)于30

個(gè)標(biāo)準(zhǔn)足球場(chǎng)那么大。如果把它看成是一口盛滿水的鍋，容量夠全世界每個(gè)人分

到4瓶水。

巧——30噸的饋源艙通過(guò)6根鋼索控制，可以在140米高空、206米的尺

度范圍內(nèi)實(shí)時(shí)定位。

強(qiáng)——能看見(jiàn)更遙遠(yuǎn)暗弱的天體，它1分鐘就能發(fā)現(xiàn)的星體，即使把坐標(biāo)

提供給百米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，對(duì)方也要9分鐘才能看見(jiàn)。

精——500米的尺度上測(cè)量角度精確到8角秒，10毫米的定位精度要求最

高做到了3.8毫米。

“但這些設(shè)計(jì)、性能和精度不是理所當(dāng)然的。”姜鵬說(shuō)，“天眼”的索網(wǎng)結(jié)

構(gòu)，是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的。要實(shí)現(xiàn)反射面變形，對(duì)

抗疲勞性能的要求極高，現(xiàn)成的鋼索實(shí)驗(yàn)中都斷了。如果這個(gè)材料和工藝層面的

問(wèn)題不解決，整個(gè)項(xiàng)目就要停滯。

回憶10年前的“索網(wǎng)攻關(guān)”，姜鵬記憶猶新：“我們進(jìn)行了可能是有史以

來(lái)最系統(tǒng)、最大規(guī)模的索疲勞試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)近百次失敗，終于研制出超高耐疲勞鋼

索，在200萬(wàn)次循環(huán)加載條件下可達(dá)500MPa應(yīng)力幅，國(guó)際上尚無(wú)先例。”

實(shí)際上，整個(gè)團(tuán)隊(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的研制過(guò)程，幾乎都是如履薄冰。從26年前

以南仁東為代表的幾位科學(xué)家，發(fā)展到今天100人左右、平均年齡35歲、能獨(dú)

立自主設(shè)計(jì)建造大型射電望遠(yuǎn)鏡和同類天線的隊(duì)伍，前后4代科研工作者前赴后

繼、扎根深山，不負(fù)當(dāng)代天文學(xué)“弄潮兒”。

一眼當(dāng)先，大裝置牽引科技創(chuàng)新

科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的速度，從過(guò)去以萬(wàn)年、千年、百年為尺度，已經(jīng)變成現(xiàn)在的

十年、一年，甚至日新月異。但對(duì)物理學(xué)、天文學(xué)來(lái)說(shuō)，似乎還在啃量子力學(xué)和

相對(duì)論的老本。

重大突破，科研儀器先行。北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所研究員李

柯伽認(rèn)為，天文學(xué)乃至物理學(xué)都是實(shí)驗(yàn)科學(xué)，前人的理論研究走在了前面，后人

的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是關(guān)鍵，這就必須用到大科學(xué)裝置。

“處在發(fā)展上升階段的學(xué)科，誰(shuí)在提出問(wèn)題，誰(shuí)就掌握發(fā)展動(dòng)向，如果沒(méi)有

大裝置做實(shí)驗(yàn)，就提不出問(wèn)題，只能跟在別人后面解決問(wèn)題。”李柯伽說(shuō)，邊界

尚未知曉的天文學(xué)，無(wú)疑是發(fā)展中的學(xué)科。

“天天摸著望遠(yuǎn)鏡做觀測(cè)的人，才能發(fā)現(xiàn)前沿的問(wèn)題。”韓金林說(shuō)，過(guò)去中

國(guó)缺少大望遠(yuǎn)鏡設(shè)備，天文學(xué)家只能在某些領(lǐng)域從理論方面深挖，而現(xiàn)在則可以

從觀測(cè)角度做出更多原創(chuàng)的、世界領(lǐng)先的成果。

從開(kāi)工建設(shè)到國(guó)家驗(yàn)收的短短9年間，收獲滿滿：

發(fā)表論文300余篇，其中SCI收錄80篇，EI收錄76篇。獲得第一專利權(quán)

人的授權(quán)專利69項(xiàng)，其中發(fā)明專利39項(xiàng)，實(shí)用新型專利30項(xiàng)；

發(fā)現(xiàn)脈沖星優(yōu)質(zhì)候選體146顆，已證實(shí)發(fā)現(xiàn)的脈沖星102顆。與上海天文

臺(tái)天馬望遠(yuǎn)鏡成功實(shí)現(xiàn)聯(lián)合觀測(cè)，在國(guó)際甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量中發(fā)揮重要作用；

……

據(jù)國(guó)家天文臺(tái)原臺(tái)長(zhǎng)、“中國(guó)天眼”工程經(jīng)理嚴(yán)俊介紹，在建設(shè)階段，“中

國(guó)天眼”獲得了鋼結(jié)構(gòu)、自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)、機(jī)械工業(yè)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)繪地理信息技術(shù)、

電磁兼容研發(fā)、建設(shè)工程等10余個(gè)領(lǐng)域的國(guó)家大獎(jiǎng)。

目前，“中國(guó)天眼”已成立科學(xué)委員會(huì)和時(shí)間分配委員會(huì)，將統(tǒng)籌望遠(yuǎn)鏡運(yùn)

行相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃、凝練科學(xué)方向、項(xiàng)目遴選、數(shù)據(jù)公開(kāi)等工作，更好地發(fā)揮其科

學(xué)效能，促進(jìn)重大科學(xué)成果產(chǎn)出。將來(lái)圍繞“中國(guó)天眼”建設(shè)的引力波探測(cè)研究、

射電天文大數(shù)據(jù)等科技中心，還將發(fā)揮輻射、引領(lǐng)及推動(dòng)作用，成為重要的人才

培養(yǎng)基地。

火眼金睛，向宇宙未知地帶探索

“目前通常認(rèn)為，宇宙中大約70%是暗能量，26%是暗物質(zhì)，不到4%是重

子物質(zhì)，只有不到1%是人類能看見(jiàn)的發(fā)光物質(zhì)。”李柯伽說(shuō)，密度極高的脈沖

星屬于重子物質(zhì)，而發(fā)光物質(zhì)只相當(dāng)于“一瓶可樂(lè)中的一滴水”。

多位天文學(xué)家都認(rèn)為，至少在分米波波段射電天文學(xué)、脈沖星觀測(cè)研究領(lǐng)域，

“中國(guó)天眼”很快就能世界領(lǐng)先。除了天文學(xué)觀測(cè)以及建造望遠(yuǎn)鏡帶動(dòng)的技術(shù)創(chuàng)

新，它還將成為最精確的物理規(guī)律驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士、伯克利大學(xué)射電實(shí)驗(yàn)室主任卡爾·海爾斯教授認(rèn)為，

“中國(guó)天眼”比美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡更加靈敏，覆蓋更大天區(qū)，且擁有19波束

的接收機(jī)，在脈沖星搜尋、觀測(cè)星際云等天文學(xué)領(lǐng)域擁有革命的機(jī)遇。

韓金林認(rèn)為，“中國(guó)天眼”目前發(fā)現(xiàn)這么多脈沖星不值得驚訝，它至少再新

發(fā)現(xiàn)千余顆脈沖星，把人類能看見(jiàn)的脈沖星庫(kù)規(guī)模拓展50%，才算小有成就。

在調(diào)試期間，“中國(guó)天眼”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了從未被其他望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到的脈沖星現(xiàn)

象。國(guó)家天文臺(tái)研究員李菂領(lǐng)銜的一個(gè)脈沖星研究結(jié)果，對(duì)經(jīng)典的“旋轉(zhuǎn)木馬”

輻射模型提出了挑戰(zhàn)。再如費(fèi)米高能射電源，美國(guó)阿雷西博望遠(yuǎn)鏡搜索未果，而

“中國(guó)天眼”一次探測(cè)成功。

姜鵬說(shuō)，借助“中國(guó)天眼”超高的靈敏度，國(guó)家天文臺(tái)已經(jīng)將脈沖星的計(jì)時(shí)

精度提升至世界原有水平的50倍左右，這將有可能使人類首次具備極低頻的納

赫茲引力波的探測(cè)能力。

正因?yàn)橐阎伲劈c(diǎn)燃了人類向宇宙未知地帶探索的夢(mèng)想。

敢當(dāng)“夢(mèng)潮兒”的中國(guó)科學(xué)家希望，借助“中國(guó)天眼”進(jìn)行銀河系及周邊的

星際介質(zhì)巡天，全面更新脈沖星和近鄰宇宙的氣體分布圖像。一旦它發(fā)現(xiàn)重要特

殊意義的天體，意味著發(fā)現(xiàn)全新的未知世界，系統(tǒng)地拓展人類的宇宙視野。

星辰大海，才是他們的征途。