觀天巨眼FAST讓中國射電天文領先世界二十年

緊閉的電動門，擋住了去路，“正在觀測”的警示牌格外醒目。這是貴州平塘大窩凼——“中國天眼”所在地。

誰能想到，20多年前，這里還是一個人跡罕至的地方。而今，大山環抱之下，一個“觀天巨眼”靜臥在大窩凼里，仰望蒼穹，以“一眼千年”的神技獨步世界。

“中國天眼”的學名是500米口徑射電望遠鏡（FAST），其發射面積相當于30個標準足球場那么大。如果在里面倒滿礦泉水，全世界70億人平均每人可分4瓶。

作為目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡，它將讓中國在射電天文領域領先世界20年。從跟跑到領跑，這背后，是中國不斷崛起的科技力量。

造“鍋”：歷時22年建成觀天巨眼

意大利天文學家伽利略首次發明了望遠鏡，把宇宙拉近到人類面前。射電天文學則讓人認識到另外一個全新的世界，一個不能由人的感官所感受的全新世界。

20世紀30年代，射電天文學興起。繼美國工程師央斯基發現了發射自銀河系中心的無線電波后，美國科學家格羅特·雷伯在自家后院架起專門的天線，用以探測來自天空的射電，被星際塵埃遮蔽的廣闊太空世界，第一次為人們所認識。而后，類星體、脈沖星、星際分子和微波背景輻射這四大天文發現，讓射電天文學迅速崛起。

不過，射電天文學與其他學科的重大不同之處，就在于它是以觀測為基礎的學科。觀測直接依賴于技術，射電望遠鏡口徑越大，觀測的靈敏度就越高。

1993年，在日本東京召開的國際無線電科學聯盟大會上，與會科學家提出，要在全球電波環境惡化到不可收拾之前，建造新一代射電“大望遠鏡”。時任中國科學院北京天文臺副臺長的南仁東坐不住了，他向同事提出：“我們也建一個吧！”

南仁東所設想的，是一個500米口徑的超級射電望遠鏡。但是，當時世界上最大的射電望遠鏡——阿雷西博射電望遠鏡，口徑也才305米。相比之下，當時中國最大的射電望遠鏡口徑不到30米，不管是技術還是設備都非常薄弱。

在很多人看來，南仁東的想法簡直是天方夜譚。但他并非一時頭腦發熱。多年來，在觀測上依賴外國射電望遠鏡窘境，讓他太想擁有屬于中國自己的超級望遠鏡。

選址、論證、立項、建設，哪一步都不容易。

為了給“大望遠鏡”安家，科學家們通過衛星遙感把貴州喀斯特山區翻了個遍。南仁東從200多張遙感圖像里，挑選出所有接近圓形的洼地，然后悶著頭鉆進貴州的大山里，最終將目標鎖定在了貴州平塘的大窩凼里。從1994年啟動選址，至此已經過去了12年。

“中國天眼”的建設，是一個史無前例的超級大工程，涉及天文學、力學、機械工程和巖土工程等各個領域，每一個領域幾乎都是開創性的工作，國際上沒有成熟的經驗可以借鑒，南仁東帶領他的團隊一步一個腳印，終究踏平坎坷成大道。

2016年9月25日，“中國天眼”建成。

堅守：科研“鐵軍”托舉大國重器

2017年10月，中國科學院國家天文臺對外公布，“中國天眼”發現2顆新脈沖星，距離地球分別約4100光年和1.6萬光年。

這是我國射電望遠鏡首次發現脈沖星，距“天眼之父”南仁東病逝不到1個月。南仁東真正走進大家視野，是他去世前在央視那一次，他用孱弱沙啞的聲音緩緩說出那一句：“FAST是全世界最先進、靈敏的射電望遠鏡，將探索宇宙百億光年的微弱信號。”

為了鑄就這口“大鍋”，南仁東耗盡了一生心血。最終，“中國天眼”開了“眼”，他卻永遠閉上了雙眼。但是，他為中國射電天文學開啟了一個10年至20年的“黃金期”。

令人欣慰的是，無論是在調試期間，還是正式投入運行，“中國天眼”的表現沒有讓人失望。

截至目前，“中國天眼”已發現脈沖星逾370顆，并在快速射電暴等研究領域取得系列重大突破，是當之無愧的“世界第一”。

FAST中心常務副主任、總工程師姜鵬說，“中國天眼”背后，是一支托舉起大國重器的科研“鐵軍”，面對惡劣的自然環境和零起步的科研項目，FAST團隊20多年如一日，默默堅守，攻堅克難。

2008年，潘高峰博士畢業后加入FAST團隊，他說，13年風風雨雨一路走來，經常能遇到“山窮水盡疑無路”的絕境，也能享受到“柳暗花明又一村”的喜悅。現為FAST中心綜合管理部主任的潘高峰，先后完成FAST饋源支撐六塔選址、大跨度柔性六索并聯機器人研制建設、動光纜研制等任務。

清華學子姚蕊攻讀研究生階段便進入FAST項目組，如今已成長為FAST中心機械組組長。在FAST建設期間，她探索解決FAST饋源艙超重問題的創新方法，最終摒棄多年圓柱體形狀的設計方案，創造性研制了現在的“鉆石三角形”饋源艙。

從姜鵬開始，孫京海、甘恒謙、于東駿、錢磊……幾乎每個人都有說不完的故事。

在大窩凼里，和南仁東一樣的這群百人科研“鐵軍”，默默守護著“中國天眼”。

開放：“中國天眼”讓人類看得更遠

曾經“世界第一”的美國阿雷西博望遠鏡發生坍塌之后，“中國天眼”便成了如今全球唯一的超大型射電望遠鏡。正因為卓越的綜合性能，“中國天眼”對于天文觀測和天文研究的重要性不言而喻，這也使得世界各國的科學家紛紛想要借助“中國天眼”開展研究。

2021年3月31日起，“中國天眼”面向全球開放，各國科學家均可提出申請，經審核后可使用“中國天眼”開展觀測和研究。雖然射電天文學的初衷就是為讓人類看得更遠，但是，“中國天眼”是我國自主研制的先進大型天文觀測設備，國際上并沒有任何一個硬性規定要求中國與全世界共享。因此，中國的這一舉動，堪稱國際科技界的一股清流。

姜鵬透露，目前，來自國內外的天文學家申請觀測非常踴躍，不過“中國天眼”今年將只對外開放10%的觀測時間。“申請觀測的方向，基本覆蓋了中低頻射電望遠鏡的前沿科學問題。”

觀測時長是科學產出的重要保障，讓姜鵬欣慰的是，“中國天眼”運行情況穩定，每天可以保證20個小時左右的觀測時長，每年大概可以運行7000個機時，去除維護和測試時間，正常觀測時間應該不少于5000個機時。

“我們不只是做世界最大——要做最大很容易，滿地鋪，總能鋪出世界最大，但如果要做成好用的望遠鏡，就是不同難度級別的挑戰。”姜鵬說，在調試期間，FAST團隊就已經把建設時遺留的一些問題解決了。目前，針對超級數據的傳輸和儲存問題，因中國科學院有穩定的經費支持，也已經得到了妥善解決。“‘中國天眼’一年產生的數據大約在15PB左右，每秒鐘產生2GB，后者的數據量和下載一部電影相當。”

目前，“中國天眼”已經啟動了脈沖星測時陣列、漂移掃描多科學目標巡天等5個重大和優先項目。外界預測，未來3至5年，“中國天眼”的高靈敏度將有可能使其在低頻引力波探測、快速射電暴起源、星際分子等前沿方向取得突破。

姜鵬說，“中國天眼”發現這么多脈沖星，需要做大量的后隨觀測，這給FAST團隊帶來很大的挑戰，希望中國正在規劃打造的其他大型望遠鏡能盡快建成。

脈沖星就是旋轉的中子星，因不斷地發出電磁脈沖信號而得名。從脈沖星中遴選出脈沖信號穩定的毫秒脈沖星，將來有望應用于星際導航。

有一種說法，5年后，“中國天眼”觀測到的脈沖星有望達到1000顆，有可能定位并識別出銀河系外的第一顆脈沖星。對此，姜鵬表示，“中國天眼”如果發現河外脈沖星特別是黑洞雙星系統的話，將可能是諾貝爾獎級別的成果。不過，“中國天眼”只是給科學家提供一種可能性，重大成果的產出，有時候還需要一些運氣。

姜鵬說，FAST團隊將轉換心態與角色定位，由過去的建設、調試、運維更多轉變為服務，建立公平觀測機制，努力為全球科學家提供良好服務。“未來的舞臺中心一定屬于科學家，我們甘當綠葉，陪襯他們的光輝。”他說。

中國為什么要建造如此巨型的望遠鏡呢？姜鵬介紹，因為更大的望遠鏡意味著更大的收光面積以及更強的暗弱信號探測能力，從而能夠大幅擴展可觀測樣本的數量，幫助人類探測到更遙遠的宇宙現象。

不過，“更大”這一目標說易行難。在世界范圍內，傳統望遠鏡的建造技術自1972年開始就進入了瓶頸期。彼時，德國人把望遠鏡建造的最大口徑提升至100米，此后，任何突破都是難上加難。

“雖然天眼叫‘FAST’，英文是‘快’的意思，但整個望遠鏡的建設歷程和調試歷程和‘快’字沒有半點關系。”姜鵬說，從想法提出到如今的模樣，“中國天眼”原先的設計方案發生了翻天覆地的變化，科研人員夜以繼日地分析和論證，克服了一個又一個技術難關。

提及“中國天眼”的建設難度，姜鵬用了一個形容詞：連滾帶爬。因為是一個全新的射電望遠鏡，沒有什么先例可循，整個建設和運行過程都是摸著石頭過河。“現在回過頭來看，雖然我們付出了巨大的努力，但其實也有運氣的成分，如果推倒重來，能不能建得比現在的好，還真沒有十足的把握。”

目前，“中國天眼”已經產出一系列科學成果。例如，借助它的超高靈敏度，脈沖星的計時精度能夠提升4—50倍，這意味著人們將有機會首次探測到納赫茲引力波。在其他相關領域，FAST在未來能夠發揮的重要作用同樣令人期待。

不過，姜鵬說，“中國天眼”確實讓中國在中低頻射電上取得了領先地位，但不能因此盲目樂觀，因為在其他波段上，中國還有很多方面需要努力。

在姜鵬看來，“中國天眼”的意義，在于它能為科學家服務，為深空探測做出貢獻。但姜鵬也認為，“重大的科學發現不僅僅取決于設備的優良性能，也不僅僅取決于科學家的敏銳洞察力，可能還需要一些運氣。”

在調試期間，“中國天眼”曾經面臨10萬年薪招不到駐地科研人才的窘境，如今，正式運行后的“中國天眼”，人才隊伍如何？對此，姜鵬表示，目前在現場負責運維的隊伍比較穩定，今年將加大宣傳和招聘力度，吸引更多的年輕人加入，以形成合理的人才梯隊，為“中國天眼”的正常運轉提供人才支撐。

事實上，“中國天眼”早有布局。2019年以來，中國科學院國家天文臺已經和貴州高校開始聯合培養人才。這樣，既能讓“中國天眼”“就地取才”，也能為貴州培養本土化人才，可謂一舉雙贏。

在大窩凼里，如果運氣足夠好，爬到一個山頂，興許能看到霧中美麗的“中國天眼”。如果晚上去，則可以看見美麗的星空。

姜鵬說，這是一道亮麗的科學風景，為了這道風景，堅守是一種必然的選擇。

500米口徑

“中國天眼”的全稱是500米口徑球面射電望遠鏡，簡稱FAST。

11.5億元造價

“中國天眼”的建設，總共耗資11.5億元，和不到兩公里地鐵造價相當。更重要的是，特殊的望遠鏡、大量的運動部件和機械裝置，都無史可鑒。

20年保持領先

“中國天眼”擁有世界領先的絕對靈敏度，將在宇宙演化、脈沖星探測、星際分子搜尋等領域，為中國科學家提供前所未有的機遇。鑒于射電天文學的高速發展，“中國天眼”的靈敏度優勢預計可保持10—20年。

5000機時

目前，“中國天眼”運行情況穩定，每天可以保證20個小時左右的觀測時長，每年大概可以運行7000個機時，去除維護和測試時間，正常觀測時間每年應該不少于5000個機時。

370多顆脈沖星被發現

截至目前，“中國天眼”已發現脈沖星逾370顆，并在快速射電暴等研究領域取得系列重大突破，是當之無愧的世界第一。根據預測，5年后，“中國天眼”觀測到的脈沖星有望達到1000顆。

70多篇高水平論文

基于FAST數據發表的高水平論文達到70多篇。其中包括國際學術期刊《自然》連續發表我國科研團隊在快速射電暴領域取得的重要研究成果。“中國天眼”通過對快速射電暴深度觀測取得重要科學進展。