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中国天眼FAST将于2019年9月25日全部完成验收并运行,之后向全球天文学家开放观测、进行宇宙探索。
中国天眼的验收涉及工艺、档案、设备等方面,其中最为关键的是工艺系统。工艺系统的16个验收指标中,已有12个指标满足或超过国家验收标准。截至目前,“中国天眼”共发现优质脉冲星候选体80颗,其中被认证的新脉冲星达到60颗。验收后的FAST将帮助人类探测更遥远的宇宙。
FAST的初步构想早在1990年代提出,这要感谢那些创始者,那些执着于幻想与梦想、不畏险阻、披荆斩棘、勇于担当、淡泊名利、不怕牺牲、坚守信仰的老一代天文学工作者,诸如时代楷模南仁东、默默奉献的邱育海研究员等一批学者。2007年7月10日,国家发展和改革委批准FAST的国家重大科技基础设施立项建议书,由中国科学院和贵州省人民政府共同建设。中国科学院国家天文台作为主持单位,协同全国20余所大学和研究所参与,100多家工程建设单位、3000多人直接或间接地参与了FAST建设。
在FAST正式投入运行之前,世界上最大的射电望远镜是坐落在波多黎各海岛、曾被评为人类20世纪十大工程之一的美国阿雷西博305米口径望远镜,而FAST的综合性能比其提高约2—3倍。具有我国自主知识产权的FAST,假如完全达到其预想的设计性能,将具有哪些特点?
首先,从单纯的科学原创来说,依照英国天文学家的模拟,FAST可能在未来发现4000多颗新脉冲星。自从1967年乔瑟琳·贝尔发现第一颗射电脉冲星以来,全世界天文学家已经发现2800颗此类星源。脉冲星为什么受到天文学家的青睐,那是何种天体?我们不妨回忆1054年宋朝天文学家的惊奇观天发现,那是突然在天空出现的客星,它昼夜明亮,在夜空如同月亮持续了大约一个月。后来天文学家认证,1054年客星事件是一颗10个以上太阳质量的恒星的超新星爆发,其中心残留一颗脉冲星,这是大约相当于一个太阳物质全部压缩到北京市区而形成的高度致密星体。而宋朝客星的“后代”脉冲星在1968年由美国天文学家发现,其高速自转的周期是33毫秒,这是迄今为止唯一知道准确年龄的脉冲星。
脉冲星另一个重要性质是其转动的高度稳定,这是可以进行自主导航的天然“器件”;此外中子星双星轨道在引力波作用下收缩,由此,天文学家间接证实了引力波存在,这使得美国两位天文学家获得1993年诺贝尔物理学奖。FAST加入全球天文学观测,将使得天文学家探测和认识宇宙的能力大为提升,可能发现一些无法预知的事物。人类科学发现历史表明,每一次大装置的投入,都会在其后若干年陆续扩展人类知识的视野。
人们常问,射电望远镜是怎么回事?它与光学望远镜不同吗?的确不同,两者虽然都是电磁波的探测装置,但是波段完全不同,光学望远镜一般在夜晚探测星星,好比人的眼睛遥望,而太阳光线的波长约在微米量级。然而,射电波段的波长大于1毫米,FAST工作探测波长在20厘米~2米,所以射电波段是我们一般知道的无线电波,比如广播电视和手机信号等。如果把射电望远镜说成雷达和天线,我们就有直观概念了,其实射电望远镜就是被动雷达,而雷达是通过发射无线电辐射,收集反射回来的电磁波来侦察和监控天空的飞行物。
美国阿雷西博射电望远镜始建于1958年,历经三年建成。阿雷西博主要用于三个研究领域:射电天文学、地球大气层和雷达天文学。FAST望远镜没有发射功能,而阿雷西博可以发射无线电波、作为雷达使用,它为后来的美国阿波罗登月计划做出巨大贡献。二战之后,世界工业发达的国家将很多军事雷达投入了科学研究,于是射电天文相关的探测技术逐渐成熟,射电天文学由此得到了蓬勃的发展,各国建设了一批专门用于射电天文学研究的望远镜。所以,射电望远镜的探测能力一直被视为一个国家高科技水平的重要标志。
美国天文学家看到FAST观测脉冲星的数据后,对于FAST设计、建设、运行、管理、综合性能赞不绝口。但从目前FAST新发现的脉冲星来看,我们无须任何夸耀和自满。毕竟天眼刚刚建成不久,设备仍然处于调试和试验运行阶段。根据国际上大型科学装置的建设经验,一般很少有按时完成的大装置,即使按时完成,其后续调试完善也需要5年左右时间,所以FAST至今的业绩达到了国家发改委的验证指标。在阿雷西博望远镜之后,美国还建设了110米口径可移动的射电望远镜,即绿岸(Greenbank)望远镜,是以美国西弗吉尼亚绿岸的地名命名,这个望远镜1988年11月15日曾经出现突然倒塌的重大事故。
值得庆幸的是,FAST建设以来,没有重大事故发生,这说明以南仁东为首的团队,密切合作,谨慎小心,一丝不苟,认真负责,管理健全。还有,中国科学院与贵州省政府的良好合作、优化管理也是保障FAST成功完成各项指标的不可或缺的行政支撑。为了确保“中国天眼”在正式投用后的良好运行环境,贵州省科技厅提出“帮助FAST构建整个智能运维体系”的总体构想,并得到了有关部门的大力支持。目前,FAST运维单位正在牵头开展可行性方案编制。
根据要求,针对FAST在激光靶标、索驱动钢丝绳与滑车、液压促动器、环境监测与整治等方面的运行维护需求,将研制系列化运行维护作业机器人及支撑系统。“中国天眼”核心区周界安防智能系统也将升级。届时,FAST运行环境将得到极大改善,运行维护将更加智能高效。
(作者:张承民,系中国科学院国家天文台研究员)
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