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王娜:野外台站——情系苍穹
王娜 中科院国家天文台

1978年3月18日,全国科学大会召开后,科学春天的到来,使乌鲁木齐天文站焕发了勃勃生机,不再墨守成规,逐渐从单一的人造卫星观测向多领域发展。相继开展了卫星动力学、太阳物理学和时间与频率等方面的科研工作。根据建设中国甚长基线干涉网(VLBI)二期工程的规划,1990年5月,中国科学院批准了在乌鲁木齐天文站建设南山VLBI站25米射电望远镜的设计任务书,1991年8月30日,南山VLBI站奠基仪式举行,1993年12月12日,25米天线系统通过验收交付使用,自此,乌鲁木齐天文站的发展又向前迈进了一大步,翻开了历史新的一页。

我是1987年分配到乌鲁木齐天文站工作的,适逢南山VLBI站规划和建设时机,对我今后的发展提供了成长的机会和平台。

建设具有国际先进水平的天文学观测与研究基地

每个野外台站的背后都有一段不平凡的经历,都有一些感人的故事,都有一群无私奉献的人。

南山基地位于天山山脉深处的乌鲁木齐县甘沟乡小峰梁上,四周群山环绕,绿松遍野,夏天山花烂漫,冬天白雪皑皑,风景如画,最主要的是这里的无线电环境、大气环境、晴天数等各项指标均达到了理想的天文观测要求,是难得的天文台址。在建站初期,这里因为远离城市,没有各种通讯设施,用水及各种给养全靠卡车从山下或乌鲁木齐提供,生活条件非常艰苦。当时的科研人员大都是三十岁左右,有时在山上一工作就是几十天,大家顾不上家里,不能和家人团聚,但为了基地的建设,大家都克服了重重困难,不畏艰苦,扎根基地,终于建立起了南山基地25米射电望远镜。

建站初期,设备配置低,故障率较高,科研队伍不成熟,也没有形成明确的研究方向,基本依赖于做一些国际联测,望远镜利用率较低。国内不少天文领域的专家相继来到南山,为南山基地的发展出谋划策,其中包括南京大学的郑兴武教授和北京大学的吴鑫基教授。

1997年,中国科学院第二次野外工作会议召开,会议建议国家有关部门要像重视实验室一样重视野外站,要像建立国家重点实验室一样建立国家重点野外站,建议得到国家科技部的高度重视并予以采纳。这是国家对野外台站的重视,也是对野外台站工作的肯定,给了我们极大的鼓舞和信心,从而促使了我站南山基地的工作不断迈上新的台阶。

1998年8月17-19日,“郭守敬《超新星和超新星遗迹》国际学术研讨会”在南山基地召开,给我们提供了新的发展思路和机遇。到会的国际著名学者和国内相关领域专家均认为南山站是VLBI网中的一个重要成员,对南山站的现状给予极大关注,同时也指出作为一个25米的天线还可以开展更多的天文工作。

1999年中国科学院知识创新工程试点工作的启动,为我站带来了新的发展机遇,我站不断开拓学科领域,形成了以脉冲星观测研究、活动星系核(AGN)研究、分子谱线观测研究、VLBI技术应用、微波技术研究等多学科研究领域。同时,开展了人造卫星动力学的观测研究及定时定位等方面的研究。在研究方面走出了一条发挥自己独特优势的开拓创新道路,形成了具有自己特色的研究团队,开展的研究工作,获得了多项科研成果,并在相关领域取得了一定的突破。

如今,南山基地已成为一个重要的天文学研究与实测基地、高新技术创新基地、应用天文学研究和服务基地以及天文学高级人才培养基地;是中国科学院射电天文重点实验室的重要组成部分;是国内重要的,并能与国际接轨的脉冲星和厘米波分子谱线观测研究基地;是国际甚长基线干涉测量(VLBI)网不可替代的台站;也是我国载人航天和探月工程、中国区域定位网等空间学科战略发展中不可或缺的重要台站;承担国家重要课题、任务40余项,同时也是重要的科普教育基地。由于乌鲁木齐南山基地特殊的地理位置,加之望远镜所具有国际先进水平的技术系统和良好的工作状态,南山观测基地已成为全球和我国重要的地面参考点。

诺贝尔奖获得者、中国科学院外籍院士、著名美籍物理学家丁肇中教授在2002年6月24日曾经来到南山基地参观访问,他称赞了天文站科研工作进入到国际水平,他在题词中写道:“It is an honor for me to be here. I learned a lot and am very impressed by the research here. It is world class work.”这是对我们工作的鼓励和肯定。

形成脉冲星等多个特色学科研究领域

南山基地目前是国内唯一的脉冲星观测研究基地。1996年1月,乌鲁木齐天文站同北京大学合作利用25米射电望远镜在327MHz频率上成功进行了脉冲星试观测。在脉冲星的研究方面,北京大学吴鑫基教授发挥了至关重要的学术指导作用,我也以访问学者身份被选派去澳大利亚国家天文台学习脉冲星到达时间观测技术,师从著名脉冲星研究专家Manchester教授。通过课题组人员的努力,1998年初,中国科学院射电天文联合开放实验室学术委员会在经过论证之后,正式推荐“利用乌鲁木齐25米射电望远镜,在18cm波段上进行脉冲星脉冲到达时间的观测研究”立项;1998年8月,北京大学、香港大学、乌鲁木齐天文站、澳大利亚国家射电天文台和英国Jodrell Bank天文台签署合作协议,共同进行脉冲星观测研究。1999年系统建成,正式观测开始。叶叔华院士说:“你们进步很快”。有了成果的产出,就可以获得更多的支持,脉冲星观测与研究工作得到中国科学院知识创新工程方向项目、国家自然科学基金项目、西部之光项目、“973”专项课题等支持。课题组探测到了20%的已知脉冲星周期跃变现象,另外还进行了脉冲星周期噪声、星际闪烁、脉冲辐射变化、脉冲星导航应用等观测研究,形成脉冲星研究重要数据库;其中脉冲星导航应用课题具有前瞻性,充分体现了射电天体物理研究与国家战略技术需求的密切结合。2008年又新建一套多功能的脉冲星数字消色散观测系统(PDFB),规划了偏振观测和高精度到达时间监测课题,该设备也将用于分子谱线观测,对推动天文站的实测及研究工作将发挥重要作用。

正如王绶琯院士所言,乌鲁木齐天文站“用小望远镜作了一项重要的学科开拓,带动了我国脉冲星实测研究”。

活动星系核(AGN)研究在星系形成和演化研究中有着重要的意义。这个领域需要高分辨率的观测,我站科研人员员利用欧洲EVN网、俄罗斯LFVN网对GPS射电源(GHz-Peaked Spectrum)和致密对称源(CSO)进行了甚长基线干涉观测与研究。与德国同行合作,利用我站25米望远镜6cm观测系统开展了活动星系核短时标变化(IDV)的观测研究,经过3年的观测已发现一批活动星系核的快速射电光变。

1994年,我们先后与南京大学天文系、紫金山天文台有关人员探讨建立频谱仪系统,进行星际分子谱线观测。1997年10月,利用25米射电望远镜13mm低温制冷谱线接收系统和声表面波频谱仪对致密HII区候进行观测,成功地观测到一批水脉泽源。此后又增加了羟基脉泽、氢复合线和甲醛分子线的观测。课题组立足于南山基地的分子谱线系统,并争取其他望远镜的观测时间,对大质量恒星形成区、晚行星等天体开展谱线观测,通过与国内外高校、科研机构的合作,使探索研究的起点站在了领域前沿。

以自主研发为主不断提升技术创新能力

天体辐射的电磁波极其微弱,70年来所有射电天文望远镜收集的来自天体的能量,还翻不动一页书。要发现和研究更暗弱的天体和更精细的结构,增加望远镜系统的灵敏度成为关键,其中一个关键技术就是为每个观测波段配备高灵敏度的接收机。南山基地望远镜装备了多个波段的接收机,经过不断的升级,目前18 cm、6 cm、3.6cm波段的接收机性能优越,名列国际最好水平。其中研制18 cm接收机给我们的启迪发人深省。我们的脉冲星常规监测主要在18cm波段进行,1999年观测系统建成,能够观测到74颗脉冲星。若要观测到更多的脉冲星,在望远镜口径确定的情况下,只有提高接收机的灵敏度,才能够观测更多的脉冲星。科学院装备处及时给予了我们课题支持,但是高灵敏的制冷接收机技术国内还没有掌握,于是我们派科研人员到澳大利亚的ATNF共同进行接收机的研制,合作取得了成功,新接收机安装后,南山基地的25米望远镜灵敏度大幅度提高,可以观测到270多颗脉冲星。18cm波段也是VLBI国际联测的重要波段,所以新接收机使25米在这个波段的观测能力跃居同类望远镜最高水平。

25米望远镜原来配备的1.3cm接收机是在日本研制的,后来故障频出,并且由于是单极化、窄频带、高噪声而不能进行正常观测。如果到国外天文台研制,周期长、价格高,而且也不符合科学院提高自主创新能力的发展目标。那么,在国内能不能通过自主研发做成接收机呢?在这个问题上大家有了分歧,大多数同志不主张自主研发,理由是:首先是以前没有先例,其次是国内机械加工水平达不到天文要求,另外接收机的很多器件需要进口,我们不熟悉国外公司的情况,购买渠道还不畅通。这是一项艰难的选择。我特意请来了德国优秀的接收机专家进行讨论。专家的意见和我不谋而合。他认为我们具备了三分之二的实验室条件,可预见的困难是可以克服的,国内射电天文的不断发展也需要培养接收机的研制能力。专家的意见让我坚定了信心,经过认真分析思考,我认为还是自己做,如果不尝试永远都做不成,我也相信我们的技术人员有这个实力。顶着压力我们开始了研制,通过努力,高灵敏度1.3cm双极化制冷接收机的研制获中国科学院设备研制专项项目支持,目前关键部分的实验室指标非常理想。接收机完成后,将用于氨分子谱线巡天和国际VLBI联测等多项天文观测任务。

随着知识创新工程的实施,野外基地获得了更多的支持,南山基地不断对设备进行更新、改造,使其性能不断提高。目前,25米射电望远镜运行状况良好,已经实现全开放,除相继承担了VLBI国际国内联测(如欧洲EVN网、俄罗斯LFVN网、亚太网和IVS测地网等)国家大科学工程、中国绕月探测工程、国家自然科学基金课题、中国科学院基础研究重点项目、日本月球探测及多项单天线天文观测与研究等一系列重要的科研任务外,还支持了银道面磁场巡天、木星研究等一批站外课题观测,首次成功进行了宽带e-VLBI观测。在国内外天文观测研究中发挥了积极的作用,推进了国内实测天文研究水平。

2007年10月24日嫦娥一号卫星成功发射后,我站南山基地25米望远镜对卫星进行了长期在轨跟踪观测和撞月过程的跟踪观测,取得了大量观测数据。我站作为VLBI测轨分系统之一,为我国探月一期工作的顺利进行做出了贡献。

培养造就优秀高科技人才的摇篮

野外台站不但为科学研究提供了大量、直接、综合和长期的第一手数据和资料,大大提高了科学研究的原始创新能力,而且已成为我国科学研究中重要的科研与教学基地,在人才培养方面取得了显著成绩和发挥了巨大作用。

我站结合自身实际,依托南山基地,在建设具有国际先进水平的天文学观测与研究基地的历程中,广泛地开展国内外合作交流。通过合作交流,培养造就了一批扎根祖国西部、具有献身精神、能吃苦的高水平科技人才队伍,如今这支队伍里的人都已开拓了独具特色的科研领域,成为学科的带头人或科研骨干,有的还走上了领导岗位,例如从事活动星系核研究的刘祥研究员,从事分子谱线观测研究的哈萨克族天文学博士加尔肯,进行1.3cm接收机研制的工程师陈卯蒸和马军。如果没有南山基地这一科研平台,就不可能有这支科研技术队伍,就不会有天文站的今天。

我本人也是依靠南山基地的平台成长起来的科研人员之一。1996年10月至1997年10月,我去澳大利亚国家天文台做访问学者,一年的国外生活使我学到了不少知识,为今后的发展奠定了基础。1998年,我考取了北京大学天文系博士研究生,2001年获得博士学位。2003年2月至2004年8月,我又去澳大利亚悉尼大学做博士后。通过不断努力,建立了南山的脉冲星观测系统,并不断完善发展,使南山25米射电望远镜的观测成为脉冲星研究的重要数据库。

有了梧桐树,引来金凤凰。我站依托南山基地进一步做好人才培养的同时,努力发展学位教育,现已成为高级人才重要的培养基地。

科研技术成果产出丰硕

南山基地之所以能在艰苦的条件下做出重大成绩,除中国科学院、国家天文台、地方等领导的大力支持以外,还有以下几方面的因素:一是全体科研技术人员有为天文事业做贡献的坚定信念,耐住了寂寞,每年有大半年时间在基地轮流值守;二是有一支扎根边疆、献身科学、团结向上、勇于拼搏、为中国西部天文事业努力奋斗的团队。

有耕耘就有收获。南山基地全体科研技术人员通过努力工作,使科研技术成果不断产生。

我站为第一完成单位完成的《乌鲁木齐25米射电望远镜系统》项目获新疆维吾尔自治区1999年度科技进步奖一等奖;我站主持完成的《乌鲁木齐25米射电望远镜脉冲星观测系统》成果被授予新疆维吾尔自治区2004年度科技进步奖一等奖。这两项科研成果先后被国家天文台评为当年的“十大天文科技进展”。空间目标与碎片观测组在中心各台站的观测评比中,连续多年名列第一,多次被评为先进观测组。在执行“神舟六号”等观测任务中,获得重要科学研究成果,荣获中国科学院空间目标与碎片观测研究中心成果奖一等奖。

我站利用南山25米望远镜研究成果,已出版会议学术论文集专著2部,发表学术论文百余篇,其中SCI论文50余篇。有多篇论文分别荣获新疆维吾尔自治区自然科学优秀学术论文一、二、三等奖。

科普工作独具特色

天文站南山基地是国家、新疆维吾尔自治区、乌鲁木齐市三级科普教育基地。我站充分利用南山基地的天文学科优势和科研资源,开展了形式多样、内容丰富的青少年科技教育活动和公众天文科普活动。已连续十几年举办了冬令营、夏令营活动,经常举办各类科普讲座、培训班、研讨班。每年接待国内外来宾、专家学者、天文爱好者、学生、参观学习者达万人次,向更多的社会大众普及了丰富、新颖的天文科普知识。

南山基地从事科普的人员多,科普工作有特色,深受社会各界的欢迎,也受到了上级的表彰。乌鲁木齐市科学技术协会、乌鲁木齐市教育局表彰南山基地为“先进青少年科普教育基地”;多次荣获“新疆维吾尔自治区优秀青少年科技教育基地”称号;共青团中央、中国科学院、全国少工委联合命名南山基地为第二批“全国青少年走进科学世界科技活动示范基地”;国家人事部、中国科学院于2002年授予南山基地为“中国科学院先进集体”;

未来发展前景广阔

2005年6月,中国科学院野外台站工作会议在兰州召开,全国人大常委会副委员长、中国科学院院长路甬祥在会上说:“野外台站是国家资源生态环境及社会经济发展规划和战略宏观决策的重要科学基础,是科技创新的重要网络与平台,是科技创新体系不可缺少、不可替代的重要部分,具有十分重要的地位和作用”。这对我们是鞭策,也是鼓励,我们有能力把现有的台站建设好,更有信心建设更大、更先进的野外台站,为我国天文事业不断做出贡献。

南山基地参加了探月一期的测轨工作和预警观测,今后我们将继续做好探月二期的工作,为我国航天事业再谱新篇,再立新功。

空间目标与碎片观测依托南山基地独特的地理位置和优良的观测条件,完成了常规观测和一系列任务观测,多次获优秀观测组荣誉称号。为了更好地开展空间项目观测和研究,新疆维吾尔自治区同意划拨南山基地西北面400亩草地给我站作为科研用地,中国科学院就征地事宜也做了批复。根据我们现在所得到的批复和立项通知,近两年将在南山建设1米口径空间碎片望远镜、光电阵系统、1米激光测距望远镜和中高轨空间目标望远镜。另外新疆天文学会的两台科普望远镜也将在南山落户,支持我区天文爱好者开展彗星、新星搜寻项目。在未来几年,我们将把南山基地建设成为新疆的“航天城”。

在野外台站建设项目中,我站还承担了中国区域定位系统喀什地面站的建设任务、中国大陆构造环境监测网络两个GNSS基准站建设工作以及伽利略全球卫星导航系统GSS地面接收站的建设工作。应该说,这些野外台站的建设凝结了天文站的辛勤努力和期待。

新疆地域辽阔,人口密度低,气候干燥,具有我国最好的厘米波无线电环境等独特地缘优势。而天文学一些非常重要的领域,迫切需要大型射电望远镜的支持和互补。科学呼唤技术,而技术也将会反哺科学。天文站选定学科领域中的制高点,启动了100米大口径射电望远镜的预研工作。该望远镜建成后可极大提高我国天文观测及应用能力,使某些研究领域的水平率先跃入国际前沿,并且及时满足国家在航天测控和深空探测领域的需要,服务于国家需求。

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