“中國天眼”拓展人類觀天極限（奮進強國路 闊步新征程·重大工程巡禮）

貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼，崇山峻嶺之間，“中國天眼”仰望蒼穹，將人類“視界”延伸到百億光年之外。

2016年9月，在“中國天眼”落成啟用之際，習近平總書記發(fā)來賀信指出：“它的落成啟用，對我國在科學前沿實現(xiàn)重大原創(chuàng)突破、加快創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展具有重要意義”“高水平管理和運行好這一重大科學基礎(chǔ)設(shè)施，早出成果、多出成果，出好成果、出大成果”。

今年是“中國天眼”建成運行8周年。8年多來，“中國天眼”團隊發(fā)揚開拓進取、勇攀高峰的精神，秉持團結(jié)奮進、協(xié)同攻關(guān)的作風，創(chuàng)新不止，成果頻出，不斷拓展著人類觀天極限。

不斷拓展人類對宇宙的認知邊界

巡天一瞥，不到5分鐘，“中國天眼”就發(fā)現(xiàn)了一個處于軌道周期僅為53分鐘的雙星系統(tǒng)中的脈沖星——這是人類發(fā)現(xiàn)的軌道周期最短的脈沖星雙星系統(tǒng)。

每一顆脈沖星都有其特殊脈沖及穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動頻率，它們相當于宇宙中具備特有信號標記的“燈塔”，可以為人類探索浩瀚宇宙提供“導航”。作為目前世界上靈敏度最高的單口徑射電望遠鏡，“中國天眼”自投入運行以來，已發(fā)現(xiàn)的新脈沖星數(shù)量突破1000顆，超過同一時期國外其他望遠鏡發(fā)現(xiàn)脈沖星數(shù)量的總和。

“從人類發(fā)現(xiàn)第一顆脈沖星到‘中國天眼’發(fā)現(xiàn)首顆脈沖星的半個世紀，全世界發(fā)現(xiàn)的脈沖星不到3000顆。”中國科學院國家天文臺研究員、“中國天眼”運行和發(fā)展中心首席科學家朱煒瑋說，“我們正在拓展人類對宇宙的認知邊界。”

近年來，“中國天眼”持續(xù)獲得重量級發(fā)現(xiàn)：首次在射電波段觀測到黑洞“脈搏”、探測到納赫茲引力波存在的關(guān)鍵證據(jù)、探測并構(gòu)建世界最大中性氫星系樣本……

中國科學院國家天文臺副臺長，“中國天眼”運行和發(fā)展中心主任、總工程師姜鵬說：“‘中國天眼’不僅為我們提供了探測宇宙深處的強大工具，而且在基礎(chǔ)科學研究中產(chǎn)生了深遠影響。它幫助我們探索宇宙的起源、演化及其結(jié)構(gòu)，為理解宇宙中的前沿科學問題提供了重要觀測數(shù)據(jù)支持。”

德國馬克斯·普朗克射電天文學研究所天文學家勞拉·斯皮特勒預(yù)測，到本世紀30年代，“中國天眼”將為人類研究超大質(zhì)量黑洞碰撞等天文學前沿研究積累大量數(shù)據(jù)。

“隨著運維智能化水平的提升，‘中國天眼’的運行效率將進一步提高，這將幫助我們更快地積累更多觀測數(shù)據(jù)，我們有信心取得更多重要發(fā)現(xiàn)。”姜鵬說。

凝結(jié)中國智慧和中國創(chuàng)造

巡天探宇，觀測星空。“中國天眼”創(chuàng)新探索不停。從選址、建設(shè)到調(diào)試、運營，“中國天眼”每一個環(huán)節(jié)、每一塊面板、每一個部件，都凝結(jié)著中國智慧和中國創(chuàng)造。

2011年3月，“中國天眼”正式開工建設(shè)。不同于世界上已有的單口徑射電望遠鏡，“中國天眼”的“視網(wǎng)膜”——球形反射面，是一張由6670根鋼索編制的索網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的。要實現(xiàn)反射面變形，對抗疲勞性能的要求極高。

整整兩年，在“天眼之父”南仁東的指導下，姜鵬帶領(lǐng)團隊進行了大規(guī)模的索疲勞試驗。近百次失敗，從千頭萬緒中不斷探尋解決問題的關(guān)鍵，終于攻克超高強度、抗反復(fù)拉伸的鋼索難題，首創(chuàng)主動變形反射面，使望遠鏡覆蓋40度天頂角，成功支撐起“中國天眼”的“視網(wǎng)膜”。

讓“中國天眼”看得更遠更清楚，調(diào)試工作至關(guān)重要。

“與傳統(tǒng)望遠鏡相比，‘中國天眼’系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，也更容易受設(shè)備故障的影響。”姜鵬說。為此，調(diào)試團隊基于力學仿真系統(tǒng)研發(fā)了“中國天眼”反射面的安全實時評估系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了反射面的數(shù)字孿生，使“中國天眼”能夠全天候運行工作。

“我們無須實時測量反射面面形，哪根促動器壞了、哪個節(jié)點工作不正常，都能在安全評估系統(tǒng)軟件中顯示，并且模擬出對觀測的影響，一旦超出安全范圍就會自動報警。”中國科學院國家天文臺副研究員李輝說。

創(chuàng)新無捷徑，唯有勇攀登。在穩(wěn)定運行和提升性能的同時，“中國天眼”的巡天效率還將實現(xiàn)數(shù)量級的提升，為解決中國射電天文領(lǐng)域的核心技術(shù)問題作出更大貢獻。

為國際科學界提供重要平臺

低噪聲放大器是“中國天眼”接收機的核心零部件，此前都靠進口。

為把關(guān)鍵技術(shù)掌握在自己手里，中國科學院國家天文臺高級工程師柴曉明團隊用時近兩年，自主研發(fā)出高性能的國產(chǎn)低噪聲放大器。今年9月，這款國產(chǎn)低噪聲放大器正式出口巴西，首次實現(xiàn)我國自主研發(fā)的射電望遠鏡核心部件出口海外。

事實上，在建設(shè)階段，“中國天眼”就向全球工程界貢獻了大科學工程的中國經(jīng)驗：6根鋼索控制的30噸饋源艙，可以在140米高空、206米的尺度范圍內(nèi)實時定位；超高耐疲勞鋼索在200萬次循環(huán)加載條件下可達500兆帕應(yīng)力幅，國際上尚無先例。

“中國天眼”也為國際科學界提供了一個重要平臺，促進了國內(nèi)外科學家的交流與合作。

2021年3月31日，“中國天眼”正式對全球科學界開放。

“隨著開放，來自全球天文學家的項目申請書越來越多，‘中國天眼’的觀測任務(wù)也排得越來越滿。”從事觀測任務(wù)制定工作，“中國天眼”運行和發(fā)展中心測控工程師孫純對此感受深刻。

截至目前，“中國天眼”已幫助美國、荷蘭、澳大利亞等15個國家的研究團隊開展觀測900余小時，涉及科學目標漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈沖星測時、快速射電暴觀測等多個領(lǐng)域。

英國天文學家拉夫爾·伊夫說，“中國天眼”持續(xù)向全球科學界開放，全世界的科學家都可以根據(jù)自己的研究計劃申請使用這一開創(chuàng)性的儀器，這意味著天文學家可以開展以前由于望遠鏡靈敏度不足而無法進行的實驗。

極目星空，巡天不止。“中國天眼”持續(xù)為人類極目宇宙貢獻中國智慧、提供中國方案。