中國"天眼"還要調試兩三年 預計發現上千個脈衝星

　　2017-09-05 16:11:56　來源: 廣州日報(廣州)

　　

　　王啟明

　　開篇語

　　中國科技日新月異，在不少領域已經領先世界。廣州日報聚焦「前沿科技人」，講述科技成果背後的人物故事。

　　今天，我們專訪了貴州500米口徑射電望遠鏡（FAST）總工藝師王啟明和副總工程師李菂。

　　本版文字/廣州日報全媒體記者唐迎春

　　本版圖片/廣州日報全媒體記者廖雪明(署名除外)

　　王啟明領記者走上FAST圈樑。走上懸空的圈樑，感覺雙腳踩在「鍋沿」上。

　　世界上最聰明的設計

　　「白天太陽電磁波輻射強烈，晚上是最好的觀測時間。通過反射聚焦，把約七萬五千平方米面板上收到的信號聚焦到一個點上。」王啟明說，「你看，那是6根超過600米的鋼索，通過在6個塔上的滑輪拉起中間那個饋源艙。」

　　「傳統射電望遠鏡，通過反射面接收宇宙平行光，超過100米口徑的，全世界只有兩個，一個是德國的，一個是美國的，口徑再大的話，當反射面俯仰轉動時產生變形，效率上不去。美國1961年建了一個300米口徑的射電望遠鏡，球面固定，不能移動觀察方向，電磁波照在球面上，聚焦到一條線，把這條線上的信號聚集起來，再用計算機處理，難度大成本高。饋源艙懸掛系統就有2000多噸。」王啟明說，「如果用這種方式做500米口徑的望遠鏡，重量受不了。我們設計成一個球面，相當於把一個300米的『碗』放在一個500米口徑的『鍋』里，拋物面總是球裡面移動。」

　　FAST這會兒正在「休息」。銀色的三角反射面板下，是密密匝匝的索網。

　　王啟明說，當「天眼」睜眼看天時，牽引索網，前拉后移，調整三角反射面板，把這個方向的三角面板調成一個拋物面，不斷地改變觀察方向，改變拋物面。觀察的拋物面不同，焦點也在空中不停地移動。

　　「中間那個饋源艙系統就是捕捉焦點的。」王啟明示意記者看中間那個巨大的銀色「螺帽」——饋源艙。這顆大「螺帽」在回港狀態，體重30噸。

　　這是世界上最聰明的設計：世界上口徑最大的射電望遠鏡，天文觀測時反射面不「搖頭」，而是由球面漸變成拋物面；空中的兩套並聯機器人系統分毫不差地帶動接收機追蹤焦點，收集遙遠宇宙的信息。

　　沒日沒夜的清華博士后

　　2000年5月，王啟明在清華大學做博士后。

　　清華大學與國家天文台簽下合同：研究FAST艙內並列機器人機構。王啟明和另外一個老師接了這個課題，他打算把這個研究作為博士后課題。這麼大尺度和特殊要求的空中機器人，很有挑戰，39歲的他覺得時不我待。

　　在清華大學，他與課題組的同事們用半年時間做出了一個1：15的模型；2001年3月，帶著這個模型參加了「863十五周年展」。

　　此後，他們不停地做試驗，模擬各種繞動，整理實驗報告，寫論文。經常到晚上11點，大樓熄燈時他們才離開。

　　下了樓，王啟明還和同事到操場跑上幾圈，零點回到博士后公寓倒頭就睡，在清華的日子裡，他幾乎夜夜如此。第二天早上，他又早早地起床去樓里，中午不休息，一直忙到晚上大樓熄燈。

　　博士後期間，國家天文台的並聯機器人課題完成了驗收。

　　2002年9月，王啟明被調到國家天文台，並從此和FAST結緣，直到現在。

　　天坑、天眼渾然天成

　　順著周長1600米的圈樑通道往前走，細看鑲成大鍋的銀色反射面板，其實是有色差的，鋁合金面板的表面出廠前要特殊處理，生產批次不同，有的看起來黃一點，有的更白一些。

　　4450塊三角形面板，邊長約11米，厚度僅1毫米，可謂薄如蟬翼。面板之下，網格狀的索網清晰可見，如矩陣亦如蜂窩。

　　「索網結構直徑500米，整個索網共用了6670根主索、2225個主索節點和相同數量的下拉索。」說到精確的數字，王啟明如數家珍，「長度11米的主索索段精度控制到1毫米以內，主索節點的位置精度達到5毫米，索構件拉伸疲勞應力幅值不能低於500MPa，索網的總重量1300多噸。」

　　王啟明示意記者看面板下面的主索節點，「看到沒，圈樑旁邊的，嵌在水泥墩里的黃色液壓拉杆，每個節點下面，都有一根這樣的液壓調整桿，能前移后拉，調整每個點，調成各種拋物面。」

　　王啟明說，FAST的設計壽命是30年，拉索不停地拉來拉去，要具備高彈性、抗拉伸的特徵，要求30年不變形、不老化、不斷裂，抗疲勞拉伸次數達到兩百萬次。

　　如今，面板上密布孔洞。「面板薄，上面打孔，可以更透光，也減少了重量，面板現在的重量是1000多噸，如果不打孔，重量有2000多噸。打孔還可以透風、透水。正在維修的六塊面板那裡，你往下看，下面就是天坑的一角，可以看到樹、草、山洞、岩石。」王啟明說，「大鍋」選址原本就是一個天坑，坑底有溶洞，有鐘乳石，地下有暗河。台址開挖時，在窪地底部挖了一個3乘3米的隧道通向另外一個窪地，以便排水；圈樑立柱開挖時，往一個柱子的基礎裡面灌水泥，怎麼也灌不滿，後來下到柱子底部，發現側面有一個溶洞，有幾間房那麼大。

　　王啟明記得，2016年7月3日，FAST裝完最後一塊反射面板。

　　如今，透光、透風、透水的面板鑲成了一隻完美的「大鍋」，「大鍋」下面，依舊草生草長，花開花落；「大鍋」四周的雨水，滲進坑底岩縫，匯入縱橫交錯的暗河。天坑，天眼，渾然天成。

　　30米口徑望遠鏡模型

　　2004年，王啟明所在的課題組想做一套30米口徑索網結構的射電望遠鏡整體模型。

　　在國家天文台密雲觀測站，他們找了一塊空地，經過一年的籌備后模型正式開建。他們挖了一個7.5米深的坑，搭起了一個5.5米高的圈樑，剛開始做了4個塔，後來改成6個塔，有472根主索，145個下拉索，和252個三角形面板構成一個模型「大鍋」。

　　2005年的照片，王啟明曬得很黑，因為要經常抬重物，他感到自己很壯實。

　　有時候，他要通宵做實驗。

　　那些年，從國家天文台到北京密雲站，還沒有高鐵，坐通勤火車或汽車，至少要花三四個小時。

　　密雲觀測站周邊的村子，地里的玉米黃了紅了，白樺樹變得光禿禿，冬盡春又來。

　　2007年FAST立項后，他們還在反覆調試模型。

　　他們研製了多個類型反射面單元，五百多公斤的反射面板，肩扛手抬，或者用手拉葫蘆往上吊裝。

　　其他能扛得動的材料，都是自己扛。加上研究生，團隊少至八九人，多則十二三人。拉索鬆弛實驗做了無數次。促動器的試驗樣機做了幾十台，液壓的驅動、電動缸驅動、鋁的、鋼的……

　　各種試驗樣機，各種驗證，直到2012年，模型實驗確認FAST各項設計的可行性，王啟明和他的夥伴們才將他們的足跡逐漸從密雲站轉移到貴州FAST現場。

　　精確無誤的動態測量

　　如何保證將反射面板調成了需要的拋物面？如何保證吊艙移到拋物面的焦點上？

　　王啟明說：「這就需要公里尺度的高精度動態測量，天眼鍋面上2225個反射稜鏡，通過多個激光全站儀來測量反射面板的實時位姿。」

　　他在記者的採訪本上邊畫圖邊解釋：三角面板的每一個角都有一個靶標，激光打在靶標上，確定靶標的坐標；確定天空觀察方向後，以這個方向為軸，根據以軸為中心的拋物面，算出三角反射面每一個靶點的坐標；把原測得的坐標變為要生成拋物面的坐標，計算面板前後移動的距離，發送信息到面板下的液壓拉杆，拉杆根據指令移動，再測，再調整；激光測距儀的激光打到吊艙的靶標上，電腦計算拋物面焦點位置，根據焦點的空間位置，吊艙位移，一直調到誤差小於5毫米。

　　地球在轉，跟著地球轉動，保證吊艙一直盯住天球上要觀察拋物面的焦點。

　　換一個觀察面，每間隔10分鐘到幾小時不等。

　　「上千台電機，快速、動態、精準測量和控制。」?王啟明說，這就是FAST。

　　200萬次不斷的拉索

　　2010年8月，王啟明遇到了極大的困難。

　　當時定製了四種共12根拉索進行抗疲勞試驗，試驗做到幾萬次時，索就全部斷掉了，而FAST的要求是，拉索要能當彈簧用，拉伸200萬次不斷裂。實驗結果太糟糕了，王啟明心急如焚。他找了國內很多家做拉索的企業，但無一敢接。

　　年底，王啟明去廣西南寧開會，同行向他推薦柳州的一家公司——歐維姆機械有限公司（OVM）。

　　柳州OVM公司的技術人員打來電話說：他們公司很重視這個項目，幾個月來，做了很多實驗。

　　王啟明高興壞了。OVM作為一家國有企業，可以先期進行技術和經費的投入。2012年初，OVM做出了滿足FAST望遠鏡需求的拉索。王啟明懸著的心，終於可以放下了。

　　「我一生最有精力的年華都在這裡」

　　「凌空施工結圈樑……五百米圓，遙感萬里光。」王啟明組織的一次詩會上，他的同事朗誦道。

　　腳下圈樑的特殊設計，能保證它在任何溫差下，都不會因熱脹冷縮而變形。

　　凝望著這口「大鍋」，王啟明感慨萬千。從2000年接觸FAST到現在，是17年。從2011年3月25日FAST開工到2016年9月25日落成是2011天。

　　這裡的每一寸地方，他曾無數次走過。從辦公樓到「鍋」底往返是7公里，走一次圈樑1.6公里。通常，他上午走「鍋」底，下午走圈樑，或者，上午從反射面板的這頭走到那頭，下午繼續走到鍋底巡查。

　　他記得多年前的一次同學聚會，老同學問：「貴州那口『鍋』，到底建得怎麼樣了？」

　　他笑笑說：「這口『鍋』好大、好深。」

　　去年9月，FAST竣工后，同學們來看這口又大又深的「鍋」。在這之前，好多個春節，他都是最後一個離開現場。

　　曾經，這裡經常有數百人在作業，大鍋「架」在窪地上，施工現場非常局促，施工人員、車輛及施工佔用的場地經常會遇到干涉，作為總工藝師，他要做無數協調，種種焦慮，如今，已化作平靜。

　　從39歲走到55歲，他一生最好的年華都在這裡，這個世界矚目的工程上。

　　在很多場合，他感謝FAST給了他機會。

　　「這些年，一步一步，不知不覺也就這麼走過來了。」王啟明說，「FAST凝聚了幾代天文人的心血。」

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　　對話FAST副總工程師李菂

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　　李菂。（受訪者提供）

　　除了擔任FAST副總工程師，李菂還是國家天文台射電天文研究部首席科學家、「千人計劃」專家。1米75的個頭，瘦削的臉，眼神特別專註，在鏡頭前，表情稍顯嚴肅。但在每周的學術咖啡組會上，他常咧嘴笑。

　　18歲，他走進北大校園。30歲前，在康奈爾大學一直讀到天體物理及射電天文專業博士畢業。回國前，他在美國哈佛-史密松天體物理中心做天文學者、在美國宇航局噴氣推進實驗室、加州理工學院做研究員，在天體物理領域已有多個重要的發現：命名了中性氫窄線自吸收，成為目前測量分子云中氫原子丰度的唯一可靠辦法，也是測量星雲演化時標的主要工具。他還首次發現了太陽系外空間中的分子氧氣，離地球400光年。

　　長年做遠程觀測，在工地，或者開國際、國內電話會，他習慣了隨時隨地工作。

　　每天工作多長時間？

　　「挺長，具體說不上，這個職業的人都差不多。」他說。

　　他一般都穿休閑裝，在工地，甚至穿拖鞋、背心。他習慣理平頭，頭髮從2012年回國就白了，以他的年齡，頭髮白得有點早。

　　李菂在FAST現場的辦公室剛剛啟用。一張沙發，兩張桌子，同事們養的一隻黃白相間的貓，有時候會竄上書桌。牆上是到世界各地進行觀測的照片。他喜歡FAST的夜景照：天眼四周，群山如黛；天眼之上，星漢璨爛。

　　究竟有沒有地外文明？

　　「太陽系外的行星非常多，類地行星也非常多，存在地外生命的條件，這個是可以肯定的。人類是不是唯一的？這個缺乏證據。」他說。

　　他重要的書都放在辦公室，家裡小，兩個孩子各佔一間房，他沒有屬於自己的書房。

　　閑暇時，他看王小波、馬爾克斯的書，最近尤其喜歡余秀華的文字，「天縱之才」，他說。

　　對話：FAST還要調試兩三年 預計發現上千個脈衝星

　　廣州日報：去年9月25日竣工以來，FAST的運行情況怎樣？

　　李菂：世界大型望遠鏡，沒有一個竣工就投入使用，最快也要兩年才能投入正式運行。例如，澳大利亞的平方公里陣列探路者望遠鏡（ASKAP），2012年6月，所有天線就位，舉行了竣工儀式；10月宣布正式開始運行。一年之後的2013年10月，才獲得第一條譜線；2016年10月，有三分之一的天線調試完畢、可以協同工作，並開始了其早期科學計劃。所以依照國際慣例和大型地面設備的規律，FAST至少再需要兩到三年的緊張調試才可以出成果。

　　FAST的調試有大量等挑戰，比如，現場供電有特殊性，電的乾淨程度要求特別高，高壓濾波器正在升級改造。

　　FAST建在天坑上面，水進到岩縫裡，產生壓力，會造成岩石破碎，形成滾石。施工前的勘探中，有詳細的危岩保護方案。?

　　預計發現上千個脈衝星

　　廣州日報：FAST是不是邊調試邊收集數據？FAST對脈衝星和中性氫的觀測目標是什麼？

　　李菂：是的。採集數據本身就是調試的一部分。我們觀測天空中的亮源，例如射電星系和脈衝星，標定系統溫度、面型精度等望遠鏡性能。調試後期，我們期待開始產生新發現，包括脈衝星、吸收線等，當然需要經過嚴謹的驗證和後續觀察才能宣布。預計FAST未來會發現上千個脈衝星，實現中國相關領域的突破，並達到世界領先水平。利用脈衝星探測引力波等天體物理前沿領域，也是FAST的目標。

　　中性氫，也就是原子氫，是我們使用FAST望遠鏡探索銀河系環境的重要目標。通過發現原子氫，可以發現新的星系、探索宇宙的演化歷史和生命的起源。FAST也將搜尋新的星際分子，研究星際介質演化和恆星形成。

　　廣州日報：FAST的觀測範圍有多大？

　　李菂：可以看到一半的銀河系，往南最多可以看到天赤道以南十幾度的天區，比之前的世界最大射電望遠鏡阿雷西伯（Arecibo）大兩倍以上。

　　廣州日報：FAST運行后，將怎麼巡天？

　　李菂：FAST的特點和獨特優勢推動我們創建很有挑戰性的巡天模式，即多科學目標同時掃描巡天：脈衝星搜索、氣體星系搜索、銀河系中性氫成像、快速射電源的搜索。世界上其他射電望遠鏡，還沒有這四大目標同時進行，是世界上沒有前例的開創。我們已經有了方案，做了實驗，希望在FAST驗收前，構建出比較有效的掃描巡天模式，提供給全國天文學者，產生系統性的發現和重大突破。

　　廣州日報：巡天數據這麼龐大的話，怎麼存儲、傳輸和處理？

　　李菂：FAST一年運行的數據是10-20個PB,?超過了科學院其他任何一個項目，也超過了貴州省銀行數據的總流量。通過多方合作，我們正在搭建數據處理平台，希望今年年底、明年年初能建成。也在探索用神經網路和人工智慧來進行大數據處理。

　　供全世界科學家申請使用

　　廣州日報：FAST項目的國際合作情況怎麼樣？

　　李菂：FAST是中國自主創新的項目，而我們團隊本身是國際化的，有各個層次的外國背景的天文學專家，包括教授、博士后、學生等。更有大量實質合作和交流，例如伯克利射電實驗室主任去年兩次在現場參與調試。及其天文學重大熱點之一的快速射電爆發現人也來到現場交流，並開展進一步合作。這個月，脈衝星之母約瑟琳·貝爾會來訪問。FAST正式運行后，按照國際慣例，將設有開放時間，供世界各國科學家申請使用。中國自主創新基礎上的國家開放共享平台會成為一個常態。

　　廣州日報：你是怎麼跟FAST結緣的？

　　李菂：2008年，由中國科學院正式聘為作為項目科學家，參與了FAST的方案規劃。2011年，與FAST首席科學家南仁東老師、工程團隊一起發表論文，詳細論述了FAST的整個工程概念及科學目標。2012年，我全職回國參與FAST一線建設。從2012年到2016年，我領導的重點基礎研究項目（973）團隊發表了270多篇國際一流（SCI)論文，取得了新毫米脈衝星，新種類星系微波激光源等重要發現，支持培養了50多個博士、8個博士后。

　　一定要避免電磁波干擾

　　廣州日報：在FAST建設過程中，覺不覺得辛苦？

　　李菂：我是2015年擔任副總工之後，才逐漸更多下工地，倒不會覺得辛苦。建設期間的臨時板沒有室內洗手間，沒有熱水。2016年凍災時，從單獨的澡房出來，頭髮上結一層冰碴。FAST工程團隊常駐現場的很多人都比我辛苦多了。

　　廣州日報：避免周邊電磁波干擾，是不是世界上所有的射電望鏡的難題？

　　李菂：沒錯。電磁波干擾甚至會鬧笑話。十幾年前，澳大利亞射電望遠鏡獲取了疑似重大天文發現的信號，經過了數年反覆核查，結果來自微波爐。一個手機放在月亮上，會成為天上最亮的射電信號。手機、相機、空調、LED、施工車輛燈，都是干擾源，成為制約FAST科學能力的主要因素。FAST相比此前世界最大的阿雷西博望遠鏡的主要優勢之一就是更好的射電環境和保護。

　　這方面，我們非常感謝黔南州及平塘縣政府的大力支持和配合。2016年9月由黔南布依族苗族自治州人民代表大會常務委員會通過頒布了FAST電磁波寧靜區環境保護條例，明確了距FAST 5公里之內的核心區禁止建設與環境保護和射電望遠鏡無關的項目，並關閉已建成的項目。由地方政府主導的移民項目也進展順利。這些都是FAST能通過驗收，領先世界的必要條件。