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“中国天眼”追梦人
来源:北京日报 | 陈强  2021年07月12日07:23

今年5月,中国科学院国家天文台发布喜讯:基于“中国天眼”的观测,我国科研人员首次找到了脉冲星三维速度与自转轴共线的证据,标志着天文学家已利用该望远镜深度研究脉冲星。

贵州省平塘县,有个名叫大窝凼的喀斯特洼地。世界最大的单口径射电望远镜——被称为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜,就坐落在这里。它就像一只巨眼,静静凝望着天空,探寻百亿光年之外的射电信号。这只“观天巨目”,已经成为国际瞩目的宇宙观测“利器”,对脉冲星的观测就是一个最新的例证。

脉冲星,是大质量恒星死亡时,以超新星爆炸方式催生出来的一类中子星。它的产生,包含了极其复杂的物理机制。凭借“中国天眼”,科学家对于中子星起源的认识有望进一步加深。目前,人类已知的脉冲星仅3000颗。而“中国天眼”自建成以来,短短几年时间,就已发现300多颗脉冲星,这还仅仅是搜索了银河系5%的盘面。

南仁东的梦想

“您已进入‘中国天眼’电磁波宁静区核心区。”今年七一前夕,记者前往贵州省平塘县,进入大窝凼方圆5公里,导航就自动失效,手机信号完全消失。与世隔绝中,“中国天眼”安静地望着苍穹。

巨目巡天,会与一颗编号为79694的小行星相遇。2018年9月25日起,这颗小行星被命名为“南仁东星”。“中国天眼”,正是南仁东最早提出并为之奋斗一生的事业。

南仁东提出建设这样一个“大国重器”,源于以他为代表的中国科学家自力更生的梦想。

早在1993年,在国际无线电联合大会上,国际天文学家提出多国联合建设新一代功能超强的大射电望远镜。此时的南仁东任北京天文台副台长、北京天文学会理事长。他立刻着手联络一批天文学家,共同谋划推动此事。

1994年初春,冰消雪融,北京天文台院子里的树冒出新绿,南仁东拿出了一份包含着国际国内丰富内容的《大射电望远镜(LT)国际合作计划建议书》,交给中科院,很快获得了支持。夏天刚刚到来,选址工作就开始着手进行。

“我们的落后是明摆着的。”南仁东曾说,因为落后更应该奋起。上世纪90年代,中国最大射电望远镜直径是25米,而全球最大射电望远镜直径为350米。当时中国的天文学家想要验证自己的研究成果,很多时候需要依赖外国的先进设备,受制于人的苦涩,只有经历过才能体会。

或许,20多年前,南仁东曾不止一次地做过这样一个梦:青山绿水的一片世外桃源中,蛰伏着一个神秘装置,它体型巨大,几乎塞满了整个坑底,这就是世界最大的射电望远镜,属于中国!这位立志自力更生的科学家,把这个望远镜取名为“FAST”,含义若用一个字表达就是“快”,蕴含着“追赶”“跨越”“领先”之义。

中国幅员辽阔,究竟在哪建这只“观天巨目”?南仁东找到了中科院遥感与数字地球研究所的聂跃平。两人又联系到了全国20多家大学和科研院所的100多位专家组成团队,这些专家,靠着自力更生的干劲儿,把自己最好的年华、最佳的科研时间,投入到这项预研究之中。

雨衣、解放鞋、柴刀、拐杖,是他们的装备。下雨路滑,解放鞋最耐用;拐杖,可用来防备丛林中的蛇。从清晨到黄昏,从寒冬到酷夏,带着300多幅卫星遥感图,这支团队一头扎进中国西南的大山里。巨大的山体,陡峭的山涧,摇摇晃晃的绳索桥以及桥下湍急的河流……他们跋山涉水,花了整整12年,走遍了391个备选洼地,最终于2006年选定了条件最适宜的大窝凼。这是一处天然形成的喀斯特坑洼,人迹罕至,可规避无线电干扰;足够大,足够圆,可以大大省去土方工程耗费的时间和财力。更重要的是,这里从没有发生重大自然灾害的记录,独特的喀斯特地貌,可以保障雨水向地下泄流,不会形成积水损坏望远镜。

选址完成后,国家发改委很快批复,“FAST”工程正式立项。整个团队一片欢呼。南仁东把他的学生和团队成员集合起来,开了一个大家印象深刻的会。他说:“‘FAST’立项,不意味着胜利,我们只是刚刚出发,就像哥伦布、麦哲伦刚刚出发一样,前面还会有想象不到的风浪。但是,我们FAST团队,正向宇宙的深度进军,这也是一次前所未有的远航。我们将去证明,人类的探索,可以到达一百多亿光年以外。”

当年,中国的科技、经济条件落后,依然靠着自强不息,搞出“两弹一星”。“有条件要上,没有条件创造条件也要上。”这句话,曾被南仁东反复提及。

2016年9月25日,“中国天眼”落成启用。习近平总书记发来贺信,指出“天眼”对我国在科学前沿实现重大原创突破、加快创新驱动发展具有重要意义。“中国天眼”梦想成真,南仁东笑了,也哭了。

来年秋风再起时,南仁东因病永远地闭上了双眼。斯人虽逝,言犹在耳,未来可期。在FAST观测基地综合楼的门口,竖立着一座南仁东的塑像,他穿着工作服,似乎还在为“中国天眼”忘我工作。

赵保庆的机缘

39岁!这是“中国天眼”工程运行团队的平均年龄。如果只算大窝凼的现场施工团队,还要再年轻10岁。赵保庆,就是亲历“FAST”建设过程的众多年轻人中的一位。他从2008年起即参与到“中国天眼”工程建设中,现在的职务是观测基地办主任,每年有一多半的时间,都在大窝凼与“FAST”相伴。

谈及与“FAST”结缘,赵保庆分享了一件往事。2008年盛夏,刚刚在北京建筑大学结构工程专业研究生毕业的赵保庆,在“海投简历”后收到了国家天文台的面试通知,“当时,我还以为这个单位是离我们学校不远的北京天文台呢。”赵保庆笑着说,缘分往往就是这样妙不可言,如果当年他没有投递简历,或是放弃面试,也许就会错过这个如今令他自豪的“大国重器”,更会错过南仁东这位“人民科学家”。

面试当天,赵保庆到得很早,他决定在楼道里转转,缓解一下紧张的心情。不知什么时候,一位打扮朴素,戴眼镜、留两撇胡子的老者走了过来,用有些沙哑的声音和他聊起了天:“你是来面试的吧?”赵保庆点了点头,老者继续说:“有个问题,想问问你,我要做一种材料,又要坚固,还得轻,还能扛得住日晒、风吹、雨淋,不能有太大形变,每平方米大概10来公斤……有办法吗?”大清早,这突如其来的问题让赵保庆有些不知所措,忙问:“您要这结构做什么用?”老者没说理由,继续说:“难不难?”赵保庆琢磨了几秒:“难。但是,我觉得可以试试空间网架结构,我参与过昆明机场屋顶设计,建议您试试……”老者没继续提问,而是匆匆结束了对话,与年轻人告别。

站在原地的赵保庆心想,“这老头儿挺怪,到底要干啥?”没想到,面试开始后,赵保庆一进屋,又看到了这位老者——正是主考官南仁东。“面试过程中,南老师又问了我几个关于土木基础、应力应变方面的专业问题。”赵保庆说,事后想来,南老师的这番良苦用心,实际上是在为正在进行的“FAST”项目主动反射面系统选拔人才。由于北京建筑大学实行双导师制,赵保庆在读研期间,除了师从本校教授学习,还与北京建筑设计研究院的专家一起参与了不少项目的建设,有很强的实战能力,“这或许就是帮助我从众多应聘者中脱颖而出的关键因素吧。”赵保庆说。

入职国家天文台后,赵保庆进入“FAST”项目技术攻关团队,主要参与聚焦主动反射面系统。在被派往贵州之前,他和团队进行了为期半年的封闭式训练。那是一段对身心巨大考验、对心智极大磨炼的经历。由于工程实验需要严格的实验环境,赵保庆每天必须四五点钟起床对材料进行低温测试,十二点开始材料高温测试。如此单调枯燥的工作,他却乐在其中。因为他坚信“百炼成钢”,能够有幸参与“中国天眼”建设,再苦再累都值得。

聚焦主动反射面系统是“FAST”的一个重要组成部分。“最开始,我们想用钢结构反射面单元,通过在表面刷油漆来防腐,不过重量大,还很影响反射面的精度。”赵保庆说,当时团队在北京密云的一个研究所里研制了很多模型,测试、改进了很多次,仍然达不到设计要求,“那些日子,南老师的头发每一根都是竖着的。他脾气很大,对我们要求很高。现在想来,没有他这样一位领军人物,就没有后来的技术突破。”

“每一次失败都是有用的。”南仁东一次次总结失败的原因,没有沮丧,而是研究得更投入。他常对团队中的年轻人说,你以为我是天生什么都懂吗?其实我每天都在学。“好好干,不能对不起国家和百姓。”南仁东做学问的风格和原则,深深影响着他的团队,更影响着初生牛犊不怕虎的赵保庆。

“贵州,天无三日晴,湿度大;处于高原,光照又强……”钢结构方案被否定后,赵保庆想试试碳纤维材质,但难以抵抗当地强烈的紫外线,而且存在维护难度大等问题。“南老师教育我们,遇到难以解决的事儿,除了实践,还要多从文献中找答案。”赵保庆翻阅了大量资料,终于发现,国外从事结构学的同行,曾在农业大棚中使用过一种铝合金结构。受此启发,他和同事把目光瞄准了铝合金螺栓球空间网架结构,最终制成了铝合金材质的反射面。实践证明,他的理念确实有效解决了重量、精度等问题。

30万个调整结构单元、4450块铝合金反射面单元、200套水平连杆、100套抗拔装置、50个双向滑移支座……赵保庆与同事们一道为“FAST”工程建设解决了一个又一个重大难题。在这一过程中,他一边摸索,一边实践,反复验证自己的新想法,不断取得新突破。其中,“500米口径球面射电望远镜超大空间结构工程创新与实践”荣获中国钢结构协会特等奖。目前,他研制的“FAST射电望远镜反射面单元支撑调整装置”“五等分全铝合金网架结构反射单元”等5项发明专利已问世。

吴若飞的舍弃

一批批优秀的年轻人来到大窝凼,吴若飞就是那时放弃了在北京航天系统工作的机会,来到“天眼”的建设工地。“我就是贵州人,说实话,我从考上航空航天相关专业的那天,就没想到过,自己有一天还能回家乡工作,为家乡发展出一份力。”

虽然吴若飞从小在贵州长大,但初次来到“中国天眼”建设现场的他,还是被这里的艰苦环境震撼到了。他回忆,建设初期,大窝凼既没有路,也没有房子,科研人员只能住活动板房,仪器甚至也要靠人往山上背。“四面环山的洼地,很潮湿,被子都能挤出水。我最不适应的是不能洗澡,那滋味儿真是挺难受的。”吴若飞说,不知怎的,每当自己动了退缩的念头,脑海里就会浮现出“中国天眼”的效果图,想想建成后的样子,它仿佛是全人类眼睛的延伸,能看到“光年之外”,能洞悉宇宙的“前生后世”。它也可以探索和验证困扰人类已久的宇宙奥秘,比如引力理论、星系演化,乃至物质和生命的起源。“想到这些,我就不会再怀念过去舒适的办公环境,当下所有的辛苦都值得!”

“在这里,每个人都在为贵州、为‘中国天眼’出力。”吴若飞指着反射面下面的触动器说,每一个触动器200公斤重,因为施工场地狭小,且作业面位于反射面之下,不能上大设备,所以只能用人力搬运、安装……除了来自五湖四海的工人,全国最优秀的建设单位,也纷纷聚集到大窝凼。建设“鸟巢”的单位进行钢结构圈梁格构柱的施工,建设了国内外多座著名斜拉索大桥的企业负责索网施工……连接大窝凼所在的克度镇与平塘县的高速公路上,架起了一座世界最高,有着“天空之桥”美誉的平塘特大桥……吴若飞拍了拍“天眼”的圈梁说:“‘天眼’就是当下中国科技创新的集合。除了科学家,每一位建设者也都是追梦人!”

舍弃的同时,也有收获。过去,吴若飞一年才能回家待上几天,如今,每周都能回去跟家人团聚。现在,家里人也都知道了,集合了如此多科技创新的“中国天眼”,为什么被称为“国之重器”。

吴若飞带着记者登上观景台,向下俯瞰,依托喀斯特地貌“天坑”而建、直径达500米的大科学装置形似一口银色“大锅”。如果这口“大锅”装满水,全世界每个人能分到2公斤!作为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,它的观测能力是德国波恩100米望远镜的10倍,是美国阿雷西博300米望远镜的2.25倍。

“天眼”的表面共有4500块三角形主动反射面,这样独特的设计,能把覆盖30个足球场大的信号聚集到馈源舱内。馈源舱重达30吨,被6条400多米的钢索吊起,移动范围可达200米。每一次位置移动,误差都能控制在毫米级。在看不见的地下,还埋藏着超过10万根光纤,为数据传输提供保障。一项项自主创新,铸就了独一无二的“中国天眼”。

“那是南仁东生命中的最后一年,他在经历治疗后头发花白而稀疏,平时不肯抛头露面。”吴若飞始终记得一个场景:2017年1月,10位科学家获2016年科技创新人物奖,南仁东名列榜首。颁奖典礼上,这位身患重病的老者,声音沙哑、断断续续地说——

“我知道,这份沉甸甸的奖励,不是给我一个人的,是给一群人的。我更不能忘却的,就是这二十二年艰苦的岁月里,贵州省四千多万各族父老乡亲,和我们风雨同舟、不离不弃……我再一次借这个机会,感谢所有帮助过我们……帮助过FAST的人……谢谢!谢谢!”

2021年2月5日,正在贵州考察的习近平总书记通过视频远程察看“中国天眼”,并与科研人员连线交流。“这是对国之重器的深情凝望,也是对再攀高峰的期许勉励。”吴若飞说。

驱车驶离大窝凼5公里外,手机信号又恢复满格。路旁,一座天文小镇正在兴起。从太阳表面发出的光,飞行8分钟后,抵达地球,穿过云层,洒向平塘县;峰丛之中,一只巨大的“眼睛”,安静地迎接阳光。