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FAST研制者用青春鑄就科技重器:讓中國睜開“天眼”看穿星辰

 
2021年05月05日09:13 | 來源:中國青年報
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原標題:讓中國睜開“天眼”看穿星辰

  如今,最早連接“中國天眼”夢想和現實的科學家南仁東已經故去,而與南仁東一起見証FAST從無到有的年輕人則繼承了他的衣缽,堅守在西南深山之中。當從太空傳來的電磁波落在群山環抱的大窩凼裡,這群平均年齡30多歲的年輕人要從這個萬籟俱寂的地方,讓中國睜開“天眼”看穿星辰。

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  12年前,31歲的博士畢業生姜鵬拎著行李,來到貴州省平塘縣一個名為大窩凼的喀斯特窪地。當時的他很難想象,眼前不通路、不通電、幾乎與現代文明隔絕的大窩凼,會建起全球最大、最靈敏的單口徑球面射電望遠鏡“中國天眼”FAST——一個全球天文學家都夢寐以求的科研裝置。

  那時的FAST,在很多人看來是一個遙不可及的夢想:口徑500米,面積相當於30個標准足球場﹔其“目光”所至,更是能“看穿”130多億光年的區域,那將無限接近宇宙邊緣。相應地,FAST挑戰之大,可以突破傳統望遠鏡極限能力﹔建設條件之苦,苦到沒幾人願意來實現這份夢想。包括姜鵬在內的年輕博士,最初也一度懷疑這個項目“會不會是忽悠人的”。

  2016年9月25日,“中國天眼”FAST落成啟用,名噪一時﹔2020年1月11日,“中國天眼”通過國家驗收,投入運行,其綜合性能是世界其他大型射電望遠鏡的10倍﹔2021年3月,“中國天眼”已發現340余顆脈沖星……再也沒有人懷疑大窩凼裡也能實現夢想。

  如今,最早連接“中國天眼”夢想和現實的科學家南仁東已經故去,而與南仁東一起見証FAST從無到有的年輕人則繼承了他的衣缽,堅守在西南深山之中。當從太空傳來的電磁波落在群山環抱的大窩凼裡,這群平均年齡30多歲的年輕人要從這個萬籟俱寂的地方,讓中國睜開“天眼”看穿星辰。

  起點

  姜鵬、潘高峰、岳友嶺、於東俊、孫京海、甘恆謙、錢磊、姚蕊、李輝……他們是“中國天眼”青年力量的代表,他們的青春幾乎都是在大窩凼裡度過的,每個人與FAST的故事起點,就是南仁東——FAST最早提出者之一。

  1993年,在日本東京舉行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”。

  以時任中國科學院北京天文台副台長南仁東為首的中國天文學家,在會上提出一個大膽的方案——在中國境內建造大型單口徑射電望遠鏡,而當時中國最大的射電望遠鏡口徑隻有不到30米。

  當時一個外國友人向南仁東發問:“你知道500米有多大嗎?”他一下子被問住了,因為500米在大多數人心裡只是一個數字。南仁東說,這是他一生遇到的最好的一個問題。

  口徑500米,其面積相當於30個足球場、8個鳥巢體育場。建造FAST,要找一個天然的窪地,遠離大城市、射電干擾小的地方。其間,南仁東走過數十個窩凼,周邊縣裡的人幾乎都認識他。

  2009年,姜鵬博士一畢業,就加入了FAST。他剛到單位報到,就被車拉到北京密雲。幾個博士疑惑,“我們以后不會就干這個吧?”

  同年,負責觀測規劃和數據格式技術支持的錢磊,也加入FAST項目。

  沒過多久,他們被拉到FAST的台址,那是“中國天眼”的“眼窩”所在。有人感慨道,未來,神秘的天文發現將從這裡誕生﹔也有人感慨,他們所有人的青春,都要圍著這口“大鍋”轉了。

  那時,剛參加工作3個月的於東俊去現場進行FAST首級控制網穩定性監測,需要在4個山頂上放置設備採集數據。那是他第一次去山清水秀的貴州,FAST誕生地的神聖畫面在他腦海中幻想了無數遍。

  “可到了現場,才發現手機沒有信號,吃住就在建筑工地搭建的臨時板房裡,身上布滿了蚊虫叮咬的紅包……”於東俊說。

  大窩凼被叢林覆蓋,極其陡峭。第三天,於東俊背著30多斤的設備去現場採集。山坡上有一個高4米的大石頭,他摳住石頭縫隙,身體重量壓向左側准備發力,但沒想到借力處由於長年風化已接近脫落,身體瞬間失去重心,他順勢抓住一個樹枝,落到大石頭下僅10厘米寬的落腳地……

  “如果沒有樹枝,身后便是10多米高的深淵。其中的凶險可想而知。”於東俊說。

  從1994年選址到2016年FAST正式建成,FAST團隊用了整整22年。

  姜鵬有時開玩笑說,南仁東先生挖了一個大“坑”,把100多人都裝進來了。也正是這100多人,把大窩凼變成了一個現代機械美感與自然環境完美契合的工程奇跡。

  第一

  FAST的設計從一開始便沒有任何經驗可以借鑒,所有難關都隻能靠自己。

  “中國天眼”的設計不同於世界上已有的單口徑射電望遠鏡,這首先體現在“視網膜”和“瞳孔”的設計上。“視網膜”指反射面,“瞳孔”指饋源艙,即放置接收宇宙外信號裝置系統的艙體。

  作為世界首創,“中國天眼”的“視網膜”是主動反射面,可以改變形狀,一會兒是球面,一會兒是拋物面﹔“中國天眼”的“瞳孔”也更為“靈動”,採用全新的輕型索驅動控制系統,可以改變“瞳孔”的角度和位置,有效收集、跟蹤、監測更豐富的宇宙電磁波。

  40歲的潘高峰在FAST團隊的一項重要工作,是負責大跨度柔性六索並聯機器人的研制及建設:一個30噸重的饋源艙,要利用6座鐵塔支撐6根鋼絲繩懸吊,通過同步收放鋼絲繩,拖動饋源艙在直徑為206米、高約140米的球冠面內進行運動,實現48毫米的定位精度,姿態角小於1度。

  “匪夷所思的精度控制,這在世界上絕無僅有。”潘高峰和團隊成員研制出耐10萬次彎曲疲勞壽命的動光纜,這個成果達到了相關標准的100倍。

  潘高峰時常慨嘆:在FAST的建設過程中,經常會遇到“山重水復疑無路”的絕境,但有時也能享受到“柳暗花明又一村”的喜悅。

  創新的過程中,沒有人能給年輕人一個標准答案。

  2005年,孫京海還是南仁東的研究生,便加入FAST團隊,參與饋源支撐系統的仿真和實驗研究。在工程建設期,他多次分享仿真經驗方法,這一從未被嘗試的方法受到了質疑,他被問到最多的問題是:你如何証明自己的仿真結果是對的?

  苦於沒有原型的實踐驗証,孫京海沒法証明自己的方法。后來,他有機會承擔了控制系統調試的任務,為了盡快實現控制指標,他重寫了幾乎全部核心算法代碼,五天五夜的調試,就為了証明自己的方法是對的。

  驗收當天,所有指標一次通過。孫京海說:“那一晚才是睡得最香的。”

  2017年10月10日,在北京中科院國家天文台的辦公大樓裡,由FAST捕獲的首批脈沖星信號第一次向外界展示:“嘟嗚嘟……嘟嗚嘟……”“嘟……嘟……”這是來自1.6萬光年外和4100光年外的脈沖信號,像成年人的心跳,短促而有力。

  這兩個聲音,讓中國實現“零的突破”:我國自主設計制造的天文設備第一次發現脈沖星。享譽世界的澳大利亞帕克斯射電望遠鏡的科學主管喬治·霍布斯評價:這是國際天文學界目前最令人激動的事件之一。

  情懷

  說起FAST當年勘查台址,潘高峰想到這樣一個畫面:那時,南仁東常和年輕人一起,在沒有路的大山裡攀爬。

  在最陡峭的一個山頂前,大家都勸時年65歲的南仁東在山下等著,看完結果向他匯報,他卻要和大伙兒一起上去,看看實際情況。

  那一年,FAST遇到了一次近乎災難性的波折,即索網的疲勞問題。

  姜鵬記得,那時他們從市面上買了大概數十根鋼索進行實驗,卻沒有一根能滿足要求,於是他們不得不進行了一次大規模的鋼索疲勞性能實驗研究。

  索疲勞實驗枯燥、耗時長,在北京、武漢、廣西等國內不同地方開始實驗,兩年多的時間,這群年輕人把FAST最嚴重的一次技術風險給解決掉了。

  43歲的甘恆謙負責FAST電子電氣設備的運行和維護,在他看來,FAST團隊就像一支有著光榮傳統的隊伍,以南仁東為代表的老一輩科研工作者堅持自主創新,新人一代代地跟上,攻克了眾多FAST建造技術難題,把一個朴素的想法變成了現在的“中國天眼”。

  在這支隊伍裡,挑戰權威是被允許的。

  37歲的姚蕊曾面臨饋源艙超重問題,饋源艙接口多,設計輸入多,為了確保整個饋源支撐系統的安全性,饋源艙的重量閾值是30噸,而饋源艙的詳細設計一度重量超標到34噸。一個顛覆性的想法推翻了饋源艙設計方案,將饋源艙的圓柱體變成了“鑽石三角形”。

  這意味著前期的工作都被推倒重來。姚蕊拿著方案給南仁東看,心裡忐忑。南先生看了一會兒沒說話,過了一會兒道,“好像也不難看”。

  就這樣,FAST的外形與布局被重新設計。

  直到現在,姚蕊都不知道當時南仁東覺得“鑽石三角形”的饋源艙是好看還是難看,“但他讓我們做了新的嘗試,讓我們堅持做對的事情。”

  2016年9月,FAST項目落成。但南仁東知道,項目落成遠遠不是結束,而是新一輪挑戰的開始。

  “中國天眼”直徑500米,卻要實現毫米級的精度,難度相當大。他帶領的這批年輕人還要在漫長的時光裡,在大窩凼與技術做斗爭,與寂寞做斗爭。

  曾有人問潘高峰,像你們這種單位,掙錢少,出差多,也顧不上家,為啥還待在這兒?當時他也不知道怎麼回答,只是覺得在這兒工作氛圍舒心,干的活兒也非常感興趣。

  直到后來,他聽到一個詞——“情懷”。在他看來,這個詞很准確地形容了他們這群人。他們身上有著深深的“科研情懷”,因此才能耐得住寂寞、坐得住板凳,能在大窩凼堅守下去。

  接力

  如今,大部分親歷者已經記不清FAST最初建設時有多苦,他們在記憶裡拼湊出當時的畫面:那時沒有板房就睡帳篷,被褥裡可以擠出水,有人起了一身的紅疹﹔水質不好,沒法洗澡,隻能拿毛巾擦一擦,有時一待就是20多天﹔有了板房,雷雨天一來,一個雷電下來,好多設備就被雷擊壞了。

  姚蕊參加FAST項目已經將近16年了,青春的年華都奉獻在了大窩凼。她說:“能參與這樣科技重器的建造,不枉少年。”

  在姚蕊看來,年輕時就要拋開世俗欲望,要立大志入主流,上大舞台做大事,做對個人和國家發展所需的事情。她慶幸自己能將個人愛好和國家需求結合在一起。

  姚蕊期盼著自己慢慢成長為南仁東先生的樣子,在這裡堅守下去。

  2021年3月31日起,FAST面向國際開放。

  三代人傾注20多年青春的FAST開始眺望宇宙:基於FAST數據發表的高水平論文已有70余篇,所發現的脈沖星數量已超過340顆,是同一時期國際上所有其他望遠鏡發現數量總和的3倍以上。

  12年過去,姜鵬已經成為FAST團隊的“老人”。想想自己從20多歲的小伙子,成長為現在FAST項目的總工程師,他說:“如果真的有一天,我們這群人不能再為FAST作更多貢獻,我們要學會放手,要扶持更多年輕人,繼續接力下去。”

  在4月22日舉行的一場媒體溝通會上,姜鵬向記者展示了一張團隊合影:100多人的團隊,用了20多年的青春,鑄就了中國利器。如今老一輩的人大多逝去,青年一代成為主力軍。

  這張團隊照的正中間,是南仁東。

  恍惚之間,姜鵬好像又回到了多年前,聽到南仁東對他說:姜鵬,你在哪兒,你給我過來。“他永遠都那麼不容置疑,雖然我經常反抗他……”

  中青報·中青網見習記者 楊潔 記者 邱晨輝 來源:中國青年報

(責編:黃子娟、劉圓圓)

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