“中国天眼”背后的技术突围与科学突破 | 姜鹏

编者按

2017年8月27日，“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST），第一次实现了对特定天体的稳定追踪观测，清晰捕捉到来自遥远宇宙深处的射电信号。这不仅仅是一个望远镜的“睁眼”，更是人类探索宇宙能力的一次飞跃。

如今担任着“中国天眼”总工程师的姜鹏，多年来投身于“中国天眼”的建设、调试与运行工作中，将一个曾经看似天马行空的宏伟设想，一步步变成了屹立于贵州群山之中、令世界瞩目的国之重器。

自主研发破解“卡脖子”难题

2009年，31岁的姜鹏博士毕业，来到中国科学院国家天文台，加入了南仁东先生带领的“中国天眼”建设团队。在建设初期，姜鹏和同事们经常要到人迹罕至的贵州大山深处开展工作。那里没有宽敞明亮的科研工作室，而且生活条件相当艰苦，只能饮用地表水，居住在没有空调、阴冷潮湿的狭窄板房里。除了要克服这些生活中的实际困难，他们还面临着世界级科研难题。

2011年“中国天眼”工程正式开工建设，工期5年半，共2011天。对于这个体量巨大的工程而言，时间显得尤为紧迫。姜鹏发现，许多技术挑战比最初设想的要严峻得多。其中，最为棘手的便是索网的制造与安装。

这张巨大的“天网”由6670根高强度钢索精心编织而成。根据观测需求，需要在球面和抛物面之间灵活变形，从而将来自宇宙深处的微弱射电信号高效地反射并聚焦到接收器上。钢索上安装着反射面板，这些面板需要能够频繁地调整角度，不断承受拉伸应力，同时，整套系统还必须保证至少30年的使用寿命。这对钢索的强度、韧性和耐久性提出了极其严苛的考验。

起初，团队尝试从市面上采购了10根钢索，然而，在关键的疲劳试验环节，所有送检的钢索都未能通过测试，全部宣告失败。

“索网的精度要求在5毫米以内，”姜鹏后来回忆道，“5毫米的精度，在室内小范围制作，这并不算难事。但是，要在野外这种动辄几百米的巨大尺度上，保持5毫米以内的精度，难度就完全不同了。”这其中的挑战，不仅在于材料本身，更在于施工工艺和环境控制。

面对困境，姜鹏不分昼夜地深入研究钢索的材质特性，经过反复论证，他提出必须采用一种全新的、性能远超现有标准的钢索：其强度需要达到500兆帕，并且能够承受高达200万次的弯曲。这意味着，他们只能选择自力更生，走自主研发的道路。

经历了近百次的失败与挫折，团队成功研制出了具有超高耐疲劳性能的新型钢索，这种“中国创造”的钢索，成功支撑起了“中国天眼”望远镜那如同“视网膜”般的球形反射面，从而彻底解决了这一关键技术的“卡脖子”难题。

2022年8月25日，姜鹏在“中国天眼”的总控室内工作（维护保养期间拍摄）

来源 | 新华社

此外，团队还在“中国天眼”上研发并使用了世界最大跨度的柔性索驱动馈源定位系统。该系统利用6根钢索和内部并联机器人，将重达30吨的馈源舱在140米高空、206米范围内，精准控制在10毫米以内。这使得“中国天眼”的灵敏度比德国100米望远镜提高约10倍，能捕捉极其微弱的宇宙信号，极大增强了探索脉冲星、黑洞等未知领域的能力，成为名副其实的“千里眼”和“顺风耳”。这项高精度技术后来也被应用于其他重大工程。

“中国天眼”夜景（维护保养期间拍摄）

来源 | 新华社

首批新脉冲星的发现

2016年9月25日，“中国天眼”正式落成启用。它不仅在规模上打破了世界纪录，成了当之无愧的世界上最大的单口径射电望远镜，更在核心技术上领先世界，其灵敏度达到了美国阿雷西博望远镜的2.25倍。

2017年10月，一个激动人心的消息传来——“中国天眼”取得的首批成果对外公布，已发现6颗脉冲星。这是中国科学家首次利用自己独立研制的射电望远镜发现脉冲星。经过长达4年的精心调试周期，2020年1月，“中国天眼”正式向全球开放运行。

“中国天眼”接收脉冲星信号示意图

来源 | 新华社

很多人或许会认为，“中国天眼”的科研成果是望远镜直接观测“得来”的，但实际上并非如此。望远镜最初传回的只是一堆原始数据，只有经过团队极其细致的研究和分析，才有可能从中挖掘出新的发现。正是由于这一过程的存在，“中国天眼”的建设完成并非终点，其持续、稳定地运行才显得尤为重要。

目前“中国天眼”每年的观测时间稳定在5300小时左右，几乎做到了“全年无休”。要实现这一高效率的运行，保证望远镜始终处于良好的技术状态，背后需要大量细致的日常运行维护工作。多年来，在姜鹏组织、带领下，团队人员24小时现场值守，并深入研判贵州野外复杂多变的气候，尽量规避天气因素对观测造成的影响，为“中国天眼”做好最有力的技术保障。

当“中国天眼”团队在贵州的大窝凼里依然安静而忙碌地工作时，全球各地的科学家们正利用“中国天眼”新提供的数据，不断刷新着人类对宇宙的认知边界。据统计，“中国天眼”自开工建设到完工、并投入科学运行的十余年间，已经帮助科学家们发表了超过300篇学术论文，发现了146颗脉冲星优质候选体，其中已经确认的有102颗。这些数字，仅仅是“中国天眼”未来辉煌成就的一个开端。

如今，“中国天眼”已经不仅仅是一台望远镜，它更化作全球连接星际银河的重要桥梁。作为我国拥有完全自主知识产权的大国重器，它正以自己的方式，向宇宙深处发出中国声音。

参考文献：

[1]姜鹏：扎根深山之内，探索光年之外[OL].光明网,2023-05-31.

[2]一场踏过平庸的“长征”——“中国天眼”诞生之路 中国科学报[N].中国科学报,2024-06-05.

[3]“中国天眼”，捕捉宇宙的“呢喃”[N].科普时报,2024-02-22.

[4]“中国天眼”总工程师姜鹏：天眼从“最大”到“最灵敏”[N].新华社,2024-09-25.

[5]姜鹏：用心守护“中国天眼”[N].科技日报,2024-09-30.

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