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FAST研制者用青春铸就科技重器:让中国睁开“天眼”看穿星辰

 
2021年05月05日09:13 | 来源:中国青年报
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原标题:让中国睁开“天眼”看穿星辰

  如今,最早连接“中国天眼”梦想和现实的科学家南仁东已经故去,而与南仁东一起见证FAST从无到有的年轻人则继承了他的衣钵,坚守在西南深山之中。当从太空传来的电磁波落在群山环抱的大窝凼里,这群平均年龄30多岁的年轻人要从这个万籁俱寂的地方,让中国睁开“天眼”看穿星辰。

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  12年前,31岁的博士毕业生姜鹏拎着行李,来到贵州省平塘县一个名为大窝凼的喀斯特洼地。当时的他很难想象,眼前不通路、不通电、几乎与现代文明隔绝的大窝凼,会建起全球最大、最灵敏的单口径球面射电望远镜“中国天眼”FAST——一个全球天文学家都梦寐以求的科研装置。

  那时的FAST,在很多人看来是一个遥不可及的梦想:口径500米,面积相当于30个标准足球场;其“目光”所至,更是能“看穿”130多亿光年的区域,那将无限接近宇宙边缘。相应地,FAST挑战之大,可以突破传统望远镜极限能力;建设条件之苦,苦到没几人愿意来实现这份梦想。包括姜鹏在内的年轻博士,最初也一度怀疑这个项目“会不会是忽悠人的”。

  2016年9月25日,“中国天眼”FAST落成启用,名噪一时;2020年1月11日,“中国天眼”通过国家验收,投入运行,其综合性能是世界其他大型射电望远镜的10倍;2021年3月,“中国天眼”已发现340余颗脉冲星……再也没有人怀疑大窝凼里也能实现梦想。

  如今,最早连接“中国天眼”梦想和现实的科学家南仁东已经故去,而与南仁东一起见证FAST从无到有的年轻人则继承了他的衣钵,坚守在西南深山之中。当从太空传来的电磁波落在群山环抱的大窝凼里,这群平均年龄30多岁的年轻人要从这个万籁俱寂的地方,让中国睁开“天眼”看穿星辰。

  起点

  姜鹏、潘高峰、岳友岭、于东俊、孙京海、甘恒谦、钱磊、姚蕊、李辉……他们是“中国天眼”青年力量的代表,他们的青春几乎都是在大窝凼里度过的,每个人与FAST的故事起点,就是南仁东——FAST最早提出者之一。

  1993年,在日本东京举行的国际无线电科学联盟大会上,与会科学家提出要在全球电波环境恶化到“不可收拾”之前,建造新一代射电“大望远镜”。

  以时任中国科学院北京天文台副台长南仁东为首的中国天文学家,在会上提出一个大胆的方案——在中国境内建造大型单口径射电望远镜,而当时中国最大的射电望远镜口径只有不到30米。

  当时一个外国友人向南仁东发问:“你知道500米有多大吗?”他一下子被问住了,因为500米在大多数人心里只是一个数字。南仁东说,这是他一生遇到的最好的一个问题。

  口径500米,其面积相当于30个足球场、8个鸟巢体育场。建造FAST,要找一个天然的洼地,远离大城市、射电干扰小的地方。其间,南仁东走过数十个窝凼,周边县里的人几乎都认识他。

  2009年,姜鹏博士一毕业,就加入了FAST。他刚到单位报到,就被车拉到北京密云。几个博士疑惑,“我们以后不会就干这个吧?”

  同年,负责观测规划和数据格式技术支持的钱磊,也加入FAST项目。

  没过多久,他们被拉到FAST的台址,那是“中国天眼”的“眼窝”所在。有人感慨道,未来,神秘的天文发现将从这里诞生;也有人感慨,他们所有人的青春,都要围着这口“大锅”转了。

  那时,刚参加工作3个月的于东俊去现场进行FAST首级控制网稳定性监测,需要在4个山顶上放置设备采集数据。那是他第一次去山清水秀的贵州,FAST诞生地的神圣画面在他脑海中幻想了无数遍。

  “可到了现场,才发现手机没有信号,吃住就在建筑工地搭建的临时板房里,身上布满了蚊虫叮咬的红包……”于东俊说。

  大窝凼被丛林覆盖,极其陡峭。第三天,于东俊背着30多斤的设备去现场采集。山坡上有一个高4米的大石头,他抠住石头缝隙,身体重量压向左侧准备发力,但没想到借力处由于长年风化已接近脱落,身体瞬间失去重心,他顺势抓住一个树枝,落到大石头下仅10厘米宽的落脚地……

  “如果没有树枝,身后便是10多米高的深渊。其中的凶险可想而知。”于东俊说。

  从1994年选址到2016年FAST正式建成,FAST团队用了整整22年。

  姜鹏有时开玩笑说,南仁东先生挖了一个大“坑”,把100多人都装进来了。也正是这100多人,把大窝凼变成了一个现代机械美感与自然环境完美契合的工程奇迹。

  第一

  FAST的设计从一开始便没有任何经验可以借鉴,所有难关都只能靠自己。

  “中国天眼”的设计不同于世界上已有的单口径射电望远镜,这首先体现在“视网膜”和“瞳孔”的设计上。“视网膜”指反射面,“瞳孔”指馈源舱,即放置接收宇宙外信号装置系统的舱体。

  作为世界首创,“中国天眼”的“视网膜”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;“中国天眼”的“瞳孔”也更为“灵动”,采用全新的轻型索驱动控制系统,可以改变“瞳孔”的角度和位置,有效收集、跟踪、监测更丰富的宇宙电磁波。

  40岁的潘高峰在FAST团队的一项重要工作,是负责大跨度柔性六索并联机器人的研制及建设:一个30吨重的馈源舱,要利用6座铁塔支撑6根钢丝绳悬吊,通过同步收放钢丝绳,拖动馈源舱在直径为206米、高约140米的球冠面内进行运动,实现48毫米的定位精度,姿态角小于1度。

  “匪夷所思的精度控制,这在世界上绝无仅有。”潘高峰和团队成员研制出耐10万次弯曲疲劳寿命的动光缆,这个成果达到了相关标准的100倍。

  潘高峰时常慨叹:在FAST的建设过程中,经常会遇到“山重水复疑无路”的绝境,但有时也能享受到“柳暗花明又一村”的喜悦。

  创新的过程中,没有人能给年轻人一个标准答案。

  2005年,孙京海还是南仁东的研究生,便加入FAST团队,参与馈源支撑系统的仿真和实验研究。在工程建设期,他多次分享仿真经验方法,这一从未被尝试的方法受到了质疑,他被问到最多的问题是:你如何证明自己的仿真结果是对的?

  苦于没有原型的实践验证,孙京海没法证明自己的方法。后来,他有机会承担了控制系统调试的任务,为了尽快实现控制指标,他重写了几乎全部核心算法代码,五天五夜的调试,就为了证明自己的方法是对的。

  验收当天,所有指标一次通过。孙京海说:“那一晚才是睡得最香的。”

  2017年10月10日,在北京中科院国家天文台的办公大楼里,由FAST捕获的首批脉冲星信号第一次向外界展示:“嘟呜嘟……嘟呜嘟……”“嘟……嘟……”这是来自1.6万光年外和4100光年外的脉冲信号,像成年人的心跳,短促而有力。

  这两个声音,让中国实现“零的突破”:我国自主设计制造的天文设备第一次发现脉冲星。享誉世界的澳大利亚帕克斯射电望远镜的科学主管乔治·霍布斯评价:这是国际天文学界目前最令人激动的事件之一。

  情怀

  说起FAST当年勘查台址,潘高峰想到这样一个画面:那时,南仁东常和年轻人一起,在没有路的大山里攀爬。

  在最陡峭的一个山顶前,大家都劝时年65岁的南仁东在山下等着,看完结果向他汇报,他却要和大伙儿一起上去,看看实际情况。

  那一年,FAST遇到了一次近乎灾难性的波折,即索网的疲劳问题。

  姜鹏记得,那时他们从市面上买了大概数十根钢索进行实验,却没有一根能满足要求,于是他们不得不进行了一次大规模的钢索疲劳性能实验研究。

  索疲劳实验枯燥、耗时长,在北京、武汉、广西等国内不同地方开始实验,两年多的时间,这群年轻人把FAST最严重的一次技术风险给解决掉了。

  43岁的甘恒谦负责FAST电子电气设备的运行和维护,在他看来,FAST团队就像一支有着光荣传统的队伍,以南仁东为代表的老一辈科研工作者坚持自主创新,新人一代代地跟上,攻克了众多FAST建造技术难题,把一个朴素的想法变成了现在的“中国天眼”。

  在这支队伍里,挑战权威是被允许的。

  37岁的姚蕊曾面临馈源舱超重问题,馈源舱接口多,设计输入多,为了确保整个馈源支撑系统的安全性,馈源舱的重量阈值是30吨,而馈源舱的详细设计一度重量超标到34吨。一个颠覆性的想法推翻了馈源舱设计方案,将馈源舱的圆柱体变成了“钻石三角形”。

  这意味着前期的工作都被推倒重来。姚蕊拿着方案给南仁东看,心里忐忑。南先生看了一会儿没说话,过了一会儿道,“好像也不难看”。

  就这样,FAST的外形与布局被重新设计。

  直到现在,姚蕊都不知道当时南仁东觉得“钻石三角形”的馈源舱是好看还是难看,“但他让我们做了新的尝试,让我们坚持做对的事情。”

  2016年9月,FAST项目落成。但南仁东知道,项目落成远远不是结束,而是新一轮挑战的开始。

  “中国天眼”直径500米,却要实现毫米级的精度,难度相当大。他带领的这批年轻人还要在漫长的时光里,在大窝凼与技术做斗争,与寂寞做斗争。

  曾有人问潘高峰,像你们这种单位,挣钱少,出差多,也顾不上家,为啥还待在这儿?当时他也不知道怎么回答,只是觉得在这儿工作氛围舒心,干的活儿也非常感兴趣。

  直到后来,他听到一个词——“情怀”。在他看来,这个词很准确地形容了他们这群人。他们身上有着深深的“科研情怀”,因此才能耐得住寂寞、坐得住板凳,能在大窝凼坚守下去。

  接力

  如今,大部分亲历者已经记不清FAST最初建设时有多苦,他们在记忆里拼凑出当时的画面:那时没有板房就睡帐篷,被褥里可以挤出水,有人起了一身的红疹;水质不好,没法洗澡,只能拿毛巾擦一擦,有时一待就是20多天;有了板房,雷雨天一来,一个雷电下来,好多设备就被雷击坏了。

  姚蕊参加FAST项目已经将近16年了,青春的年华都奉献在了大窝凼。她说:“能参与这样科技重器的建造,不枉少年。”

  在姚蕊看来,年轻时就要抛开世俗欲望,要立大志入主流,上大舞台做大事,做对个人和国家发展所需的事情。她庆幸自己能将个人爱好和国家需求结合在一起。

  姚蕊期盼着自己慢慢成长为南仁东先生的样子,在这里坚守下去。

  2021年3月31日起,FAST面向国际开放。

  三代人倾注20多年青春的FAST开始眺望宇宙:基于FAST数据发表的高水平论文已有70余篇,所发现的脉冲星数量已超过340颗,是同一时期国际上所有其他望远镜发现数量总和的3倍以上。

  12年过去,姜鹏已经成为FAST团队的“老人”。想想自己从20多岁的小伙子,成长为现在FAST项目的总工程师,他说:“如果真的有一天,我们这群人不能再为FAST作更多贡献,我们要学会放手,要扶持更多年轻人,继续接力下去。”

  在4月22日举行的一场媒体沟通会上,姜鹏向记者展示了一张团队合影:100多人的团队,用了20多年的青春,铸就了中国利器。如今老一辈的人大多逝去,青年一代成为主力军。

  这张团队照的正中间,是南仁东。

  恍惚之间,姜鹏好像又回到了多年前,听到南仁东对他说:姜鹏,你在哪儿,你给我过来。“他永远都那么不容置疑,虽然我经常反抗他……”

  中青报·中青网见习记者 杨洁 记者 邱晨辉 来源:中国青年报

(责编:黄子娟、刘圆圆)

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