創新為帆 征戰星辰大海——「中國天眼」成果頻出的背後
貴州平塘,連綿群山似凝固的波濤。「海浪」中央,「中國天眼」遙望宇宙,永不停息。
2016年9月,「中國天眼」落成啟用之際,習近平總書記發來賀信,稱其「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」,希望「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」。
發現800余顆新脈沖星、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……今年以來,「中國天眼」成果頻出,不斷拓展人類觀測宇宙的視野極限。
見證創新發展新高度
「中國天眼」有多大?
口徑500米,僅圈梁、索網和支撐饋源艙的6座高塔就用掉1萬多噸鋼材;
反射面板總面積25萬平方米,相當於30個標準足球場,用掉2000多噸鋁合金;
如果將「中國天眼」裝滿水,全世界每人可以分到2升……
給這只「觀天巨眼」做維護保養,難度可想而知。
2022年7月24日拍攝的「中國天眼」夜景(維護保養期間拍攝,無人機光繪)。新華社記者 歐東衢 攝
自運行以來,「中國天眼」日常運維多靠人工,但因高危作業風險、極端氣候等因素影響,人工運維效率低,稍有不慎,還可能造成破壞。運維工作與科學觀測之間矛盾突出。
為提升運維質效,「中國天眼」於2019年底啟動了國家重點研發計劃「智能機器人」重點專項「重大科學基礎設施FAST運行維護作業機器人系統」項目。在中國科學院國家天文臺、哈爾濱工業大學等10家單位共同努力下,該項目於今年7月26日通過現場驗收。
項目負責人、FAST副總工藝師孫才紅介紹,通過這一項目解決了「中國天眼」運行維護中存在的高危作業風險隱患、人工維護效率較低、氣候條件製約觀測等問題。
2022年7月21日,霞光中的「中國天眼」(維護保養期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
「智能維護機器人系統將有效確保FAST的運行安全,提高望遠鏡的觀測時間和使用效率,促進天文成果的產出。」FAST運行和發展中心常務副主任、總工程師姜鵬介紹。據測算,這些成果每年能為「中國天眼」增加約30天的可觀測時間。
運用智能機器人參與運維工作,是「中國天眼」發揮科技創新關鍵作用,推動重大科學基礎設施高水平管理和運行的典型案例。
7月26日拍攝的「中國天眼」全景(維護保養期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
作為世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡,「中國天眼」的運維工作需要中國科學家們充分發揮主觀能動性和創造力,在不斷「挑戰認知和技術極限」中,發現問題,解決問題。
自2011年開工建設以來,「中國天眼」科技創新的腳步從未停止。僅在建設階段,就獲得了鋼結構、自動化產業、機械工業、測繪地理信息技術、電磁兼容研發等10余個領域的國家大獎。
2021年3月29日拍攝的「中國天眼」測量基墩(維護保養期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
近年來,以「中國天眼」為代表的一個個重大科技項目,不斷見證我國科技發展的新高度。成績背後,是一系列關鍵核心技術的攻關突破。而突破力量的源泉,就厚植於自立自強的創新土壤之中。
拓展人類觀天極限
發現新脈沖星數量達800余顆,是國際上同一時期所有其他望遠鏡發現脈沖星總數的3倍以上;
首次在射電波段觀測到黑洞「脈搏」,有望打開黑洞射電觀測和理論研究的新思路;
發現迄今軌道周期最短脈沖星雙星系統,從觀測上證實了蜘蛛類脈沖星的演化理論;
探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據,為理解超大質量黑洞、星系並合歷史和宇宙大尺度結構形成等重要問題提供幫助……
今年以來,「中國天眼」持續產出重量級發現,為探索宇宙奧秘作出更多中國貢獻。
「FAST需要以公裏級的設施體量,實現毫米級的測量精度,這是一個巨大的挑戰。」FAST運行和發展中心測控部測量組組長於東俊表示,此次通過驗收的饋源艙全天候智能測量系統已經實現5毫米的測量精度,未來有望繼續提升至2毫米。
7月26日拍攝的「中國天眼」饋源艙(維護保養期間無人機拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
快速射電暴(FRB)是宇宙中最明亮的射電爆發現象,在1毫秒的時間內能釋放出太陽大約一整年才能輻射出的能量。快速射電暴自2007年首次被確定存在以來,迅速成為天文學最新研究熱點之一。
得益於「中國天眼」的超高靈敏度,我國科學家領導的科研團隊發現了首例持續活躍重復快速射電暴FRB 20190520B,對更好理解這一宇宙神秘現象具有重要意義。
國家天文臺研究員李柯伽所在的中國脈沖星測時陣列(CPTA)研究團隊利用「中國天眼」,探測到納赫茲引力波存在的關鍵性證據。在他看來,這一發現得益於「中國天眼」的建成和高效運行。
「FAST的靈敏度讓中國天文學家站在了人類視野的最前沿。」李柯伽說,美國、歐洲、澳大利亞的科研團隊均已開展了約20年的納赫茲引力波搜尋,憑借「中國天眼」的優良性能,CPTA研究團隊以數據精度、脈沖星數量和數據處理算法上的優勢,彌補了觀測時長的差距,使我國納赫茲引力波探測和研究同步達到世界領先水平。
「隨著運維智能化水平的提升,FAST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。」李柯伽說。
7月26日,工作人員在調試饋源接收機拆裝機器人。新華社記者 歐東衢 攝
勇攀世界科技高峰
20多年前,一群中國科學家懷抱著對民族的赤誠和探索宇宙的初心,以「敢為天下先」的豪情壯誌,在全世界都沒有現成經驗的情況下,讓「中國天眼」最終得以屹立在貴州的群山之中。
2011年3月,「中國天眼」正式開工建設。為加快工期,臺址開挖和裝置本身部件的設計、試驗同步進行。
「FAST反射面板總面積達25萬平方米,厚度只有1毫米,對索網的抗疲勞性能要求極高。」姜鵬告訴記者,反射面板如同人眼的「視網膜」,索網則是支撐「視網膜」的「神經系統」,其結構是世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的,現有鋼索都難堪重任。
2022年8月25日,FAST運行和發展中心常務副主任、總工程師姜鵬在饋源艙前(維護保養期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
整整兩年,姜鵬帶著一幫青年人,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、抗反復拉伸的鋼索,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」。
如果問「中國天眼」最大的特點是什麽?除去科學上的價值,或許可以用六個字來概括:敢創新,能創新。
「沒人告訴你可以怎麽做,誰也沒有把握自己的方法一定行。」姜鵬說,「反復試驗、多次失敗、越挫越勇」的艱難攻關貫穿了「中國天眼」建設、調試的每一個環節。
2016年9月25日,「中國天眼」宣告落成啟用,向全球工程界貢獻了大科學工程的中國經驗和創新實踐。
在調試階段,「中國天眼」又碰到難題。「『積木』搭好了,但望遠鏡不能按照總控的指令高效運行。」FAST運行和發展中心測控部主任孫京海說,「簡單的修復解決不了問題,控製系統必須推倒重建。」
7月26日,工作人員在「中國天眼」饋源艙前(維護保養期間拍攝)。新華社記者 歐東衢 攝
為了盡快開發出新的控製系統,孫京海無數次挑燈夜戰至東方既白,幾乎重寫了全部核心算法代碼。他心裏只有一個信念:不能讓工程調試進度耽誤在自己這裏。最終,在正式測試時,一套為「中國天眼」量身定製的控製系統,所有指標一次通過。
創新無捷徑,唯有勇攀登。
「敢為人先的魄力、追求極致的毅力、持之以恒的定力,是FAST的成功秘訣。」姜鵬說,多年來,「中國天眼」團隊為我國勇攀世界科技高峰、加快建設科技強國、實現科技自立自強提供了不竭動力。
6月22日拍攝的「中國天眼」全景(維護保養期間拍攝,無人機全景拼接照片)。新華社記者 歐東衢 攝
在極目宇宙的道路上,「中國天眼」步履不停。天眼問天,沒有終點……
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