“中國天眼”拓展人類觀天極限

貴州省平塘縣克度鎮大窩凼，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”落成啓用之際，習近平總書記發來賀信指出：“它的落成啓用，對我國在科學前沿實現重大原創突破、加快創新驅動發展具有重要意義”“高水平管理和運行好這一重大科學基礎設施，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週年。8年多來，“中國天眼”團隊發揚開拓進取、勇攀高峯的精神，秉持團結奮進、協同攻關的作風，創新不止，成果頻出，不斷拓展着人類觀天極限。

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”就發現了一個處於軌道週期僅為53分鐘的雙星系統中的脈衝星——這是人類發現的軌道週期最短的脈衝星雙星系統。

每一顆脈衝星都有其特殊脈衝及穩定的轉動頻率，它們相當於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，已發現的新脈衝星數量突破1000顆，超過同一時期國外其他望遠鏡發現脈衝星數量的總和。

“從人類發現第一顆脈衝星到‘中國天眼’發現首顆脈衝星的半個世紀，全世界發現的脈衝星不到3000顆。”中國科學院國家天文台研究員、“中國天眼”運行和發展中心首席科學家朱煒瑋説，“我們正在拓展人類對宇宙的認知邊界。”

近年來，“中國天眼”持續獲得重量級發現：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鍵證據、探測並構建世界最大中性氫星系樣本……

中國科學院國家天文台副台長，“中國天眼”運行和發展中心主任、總工程師姜鵬説：“‘中國天眼’不僅為我們提供了探測宇宙深處的強大工具，而且在基礎科學研究中產生了深遠影響。它幫助我們探索宇宙的起源、演化及其結構，為理解宇宙中的前沿科學問題提供了重要觀測數據支持。”

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

“隨着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據，我們有信心取得更多重要發現。”姜鵬説。

凝結中國智慧和中國創造

巡天探宇，觀測星空。“中國天眼”創新探索不停。從選址、建設到調試、運營，“中國天眼”每一個環節、每一塊麪板、每一個部件，都凝結着中國智慧和中國創造。

2011年3月，“中國天眼”正式開工建設。不同於世界上已有的單口徑射電望遠鏡，“中國天眼”的“視網膜”——球形反射面，是一張由6670根鋼索編制的索網，其結構是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的。要實現反射面變形，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，姜鵬帶領團隊進行了大規模的索疲勞試驗。近百次失敗，從千頭萬緒中不斷探尋解決問題的關鍵，終於攻克超高強度、抗反覆拉伸的鋼索難題，首創主動變形反射面，使望遠鏡覆蓋40度天頂角，成功支撐起“中國天眼”的“視網膜”。

讓“中國天眼”看得更遠更清楚，調試工作至關重要。

“與傳統望遠鏡相比，‘中國天眼’系統結構要複雜得多，也更容易受設備故障的影響。”姜鵬説。為此，調試團隊基於力學仿真系統研發了“中國天眼”反射面的安全即時評估系統和開環控制系統，實現了反射面的數字孿生，使“中國天眼”能夠全天候運行工作。

“我們無須即時測量反射面面形，哪根促動器壞了、哪個節點工作不正常，都能在安全評估系統軟件中顯示，並且模擬出對觀測的影響，一旦超出安全範圍就會自動報警。”中國科學院國家天文台副研究員李輝説。

創新無捷徑，唯有勇攀登。在穩定運行和提升性能的同時，“中國天眼”的巡天效率還將實現數量級的提升，為解決中國射電天文領域的核心技術問題作出更大貢獻。

為國際科學界提供重要平台

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。

為把關鍵技術掌握在自己手裏，中國科學院國家天文台高級工程師柴曉明團隊用時近兩年，自主研發出高性能的國產低噪聲放大器。今年9月，這款國產低噪聲放大器正式出口巴西，首次實現我國自主研發的射電望遠鏡核心部件出口海外。

事實上，在建設階段，“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米的尺度範圍內即時定位；超高耐疲勞鋼索在200萬次循環加載條件下可達500兆帕應力幅，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台，促進了國內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。

“隨着開放，來自全球天文學家的項目申請書越來越多，‘中國天眼’的觀測任務也排得越來越滿。”從事觀測任務制定工作，“中國天眼”運行和發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餘小時，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、脈衝星測時、快速射電暴觀測等多個領域。

英國天文學家拉夫爾·伊夫説，“中國天眼”持續向全球科學界開放，全世界的科學家都可以根據自己的研究計劃申請使用這一開創性的儀器，這意味着天文學家可以開展以前由於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”持續為人類極目宇宙貢獻中國智慧、提供中國方案。