姜鵬:如果FAST有了重大科學發現,我願人們能記住它的工程師團隊

在貴州群山深處,有一座500米口徑球面射電望遠鏡(簡稱FAST)。有人戲稱這是“山裡的一口大鍋”,裝滿礦泉水,全世界70億人每人可以分到四瓶;也有人叫它“中國天眼”。作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡,也有世界上最靈敏的射電望遠鏡,中國天眼背後有哪些故事?中國天眼(FAST)總工程師,國家天文臺研究員姜鵬帶你看“中國天眼”,聽宇宙“心跳”。

以下為姜鵬演講實錄:

首先要澄清一個事實:比起“科學家”,我更合適的身份應該是“工程師”。

說起FAST,世界上最大的單口徑射電望遠鏡。到目前為止,它的靈敏度已經是世界上第二大望遠鏡的三倍左右,這也是中國建造的射電望鏡第一次在靈敏度這個參數上達到了最高點。這為我們中國天文學的發展——包括科學家的一些重大發現,提供了可能。


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“中國天眼”。圖片來源:圖蟲創意


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說到這裡,還要從FAST的應用背景說起,即射電天文學。1933年,卡爾·央斯基(Karl G. Jansky)在一次雷達通訊實驗中,意外地發現了射電天文學的窗口。此後,他為人類貢獻了四大發現(如圖右上)。這些成果的取得,與設備的發展是密不可分的。


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從雷伯(Grote Reber)造了第一臺9.47米望遠鏡開始,望遠鏡的發展歷史就是追求靈敏度的歷史(如上圖)——科學家們一直想要造更大口徑的望遠鏡,因為口徑越大,就意味著越大的收光面積,在探測闇弱信號方面有更強的能力。這樣,一方面可以極大地擴展可觀測樣本的數量,其中就可能孕育著一些重要發現;另一方面,也可以觀測到更早期或更遙遠的宇宙現象,對研究宇宙演化歷史有非常大的幫助。

1972年,德國人把望遠鏡做到100米後,採用傳統工作模式的望遠鏡至今還在100米左右的水平,由於受風載和自重等因素的限制,很難再有突破。Arecibo(阿雷西博射電望遠鏡)開拓了一種建造望遠鏡的新模式,但是巨大的平臺也給它造成了很多困難,駐波和收光效率等等都受到一些影響。怎樣建造更大口徑的望遠鏡,就變成了一個非常重要的瓶頸——直到一個概念的出現,改變了這種狀況,它與我們剛才提到的FAST有關。

是什麼樣的概念,使得FAST具備突破傳統望遠鏡極限的能力呢?

其實是拋物面和球面之間的一個機緣巧合

一束平行光打過來,可以匯聚到焦點——這是隻有拋物面才有的幾何特性,所以傳統望鏡的工作反射面都是拋物面的形狀。但拋物面跟球面到底有多大差距?過去的人沒怎麼關注。直到上個世紀,中國天文學家好奇地進行了計算,得到的結果出乎很多人的意料——一個300米的拋物面,只要選擇合適的焦點,球面和拋物面偏離的最大距離只有0.47米,這0.47米就成為了一個重大突破方案的可能性。


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有了這個發現,我們就大概形成了一個方案:先建造一個基準球面,然後設置一群可以微微改變反射形狀的微小驅動裝置,這樣就可以在它局部區域形成一個300米的拋物面。比如我們想觀測S2圓,只需要在左下角形成一個拋物面;如果想觀測S1圓,只需要在右下角形成一個拋物面。我們可以讓拋物面在球面上運動,對天體進行跟蹤,並進行掃描等等一些觀測。那餘下的問題就是,如何把接收機以正確姿態放在焦點的位置上。

要把這個概念真的做成一個望遠鏡,還有三件事要做——


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第一件事,要選一個合適的臺址。首先,要找個天然的、這麼大的窪坑,如果在平地上人工挖掘,幾臺望遠鏡的成本投入進去可能都不夠;而且,這個地方要遠離人口密集區域,因為天體信號非常闇弱,大量存在各種干擾源不利於觀測;此外,不能有積水,同時還要有非常優良的地質條件——而所有這些因素都在貴州的喀斯特窪地上具備,這也是後來選這個地方做臺址的主要原因。


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第二件事,實現球面到拋物面之間的變化。現在大家去看FAST,可能會覺得本身就該如此——但事實上,建造過程中經歷了很多很多變化。最早,我們想在窪地裡佈置2000多臺促動器,促動器掛著面板進行變位,但是這種方式需要有大量的維修工作,很難解決。後來,就採用更清潔的方式,就是索網;其實中間還提過索聯網機等等一些方案。索網到底是採用三角形網格,還是採用四邊形網格?是掛在周圍的山體上,還是單獨做一個環形的支撐結構?控制索是一根還是選擇三根?這一切的方案都需要精細的計算、分析和論證,最後才能確定。

最後一件事,就是怎麼實現接收機的精準定位。最早的Arecibo就提出一個方案:先做個大平臺,然後再把接收機放在平臺上進行運動、控制。但是,巨大平臺有很多問題,比如天體的發出的電磁波是從正上方下來,所以它首先要把有效的電磁波擋掉一部分,望遠鏡的口徑效率上很難實現;而且信號會在平臺和反射面之間震盪形成駐波;另外還有一點,它附近還有機場,機場這種干擾信號經過平臺之後也會進入到望遠鏡裡,所以它抗干擾能力也比較弱。

我們就想,用什麼方式來形成更好的方案呢?

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最後FAST提出的概念,超乎想象。它通過六根鋼索控制一個30噸的饋源艙,這種方式可以實現精確定位,然後把接收機在放在艙裡頭。但這個概念很難實現,而且通過六根鋼索只能控制艙的位置,而接收機本身不僅僅需要控制位置,還要控制姿態,因為它的指向應該是主光軸的方向。六根鋼索不足以實現整個饋源艙姿態的全部精確控制,所以在裡邊又做了套A-B軸機構輔助接收機進行姿態的控制。這麼大一套柔性系統,它的跨度大概有600米,遇到風等某些因素會產生震動,怎麼辦?所以在它的下平臺做一套Stewart平臺,起到穩定的作用。這就形成了一個非常複雜的控制系統。所以,我們經常說FAST這個方案,只有天文學家敢想得出來;我們做工程的人很敢蠻想這些現象。


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由此,FAST的原理模型也漸漸清晰了:一個近萬根鋼索編製成的柔性索網掛在一個500米口徑的環樑上,有2000多個主索解點;每個主索解點下面放一個控制索,固定在地面促動器上,然後通過促動器控制就可以改變索網的形狀——因為它是柔性的,所以可以在局部區域形成拋物面,而拋物面可以在整個球面上運動,進行跟蹤、掃描等等工作。然後上面有六根鋼索控制一個30噸的饋源艙——饋源艙比反射面高140米,艙內還有A-B軸和Stewart平臺,讓輔助接收機進行姿態的控制。這一套系統需要在140米高空,在200米尺度範圍內通過六根繩子,把接收機的位置控制到10個毫米以內,是非常匪夷所思的一個精度控制。


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演講嘉賓姜鵬:《FAST:貴州群山深處,中國天眼正在睜開》

有了這個方案之後,FAST開始推動立項,在2011年開始建設。南先生(南仁東,曾任FAST工程首席科學家兼總工程師,2017年9月15日因病逝世)在世的時候說,他一生遇到的最好的一個問題,是來自一個外國友人:你知道500米有多大嗎?他當時被問住了,因為500米在我們大多數人心裡都是數字,很難真正體驗它的尺寸。

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我們有一些好奇的同事真的算了一下:如果把FAST想成一口裝滿水的鍋,全世界70億人每人可以分四瓶礦泉水,夠喝一天

其實我們知道,外國友人問南先生的問題,不是真的想問他有多大,而是善意地提醒:這件事情不一定會像想的那樣順利,一定存在想不到的問題——因為五百米的望遠鏡從來沒有人做過。

結果這話很快就被驗證了。

我們如火如荼地進行臺址開挖的時候,一個差點讓FAST毀於一旦的技術問題出現了,就是“索疲勞”問題。剛才提到,球面到拋物面變化是通過索網實現,所以它對疲勞系統要求極高,要求鋼索能承受500兆帕應力——相當於傳統規範的兩倍還要多。


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我們從市面上買了大概10根鋼索進行實驗,結果沒有一根能滿足要求,由此我們進行了一次大規模的鋼索疲勞性能實驗研究——可能也是建國以來、能查到資料範圍內最大規模的一次索疲勞實驗,因為索疲勞實驗枯燥、耗時長,沒有人願意做。為了加快方案遴選,我們經常在全國不同的地方實驗——比如北京、武漢、廣西,都在進行。最後用了兩年多的時間,把FAST最嚴重的一次技術風險給解決掉了。

還有一些匪夷所思的難題,比如“精度控制”。傳統結構只關心兩件事:美不美觀,安不安全。對於FAST 500米的跨度來講,差5毫米、50毫米,甚至差500毫米,視覺上都沒法識別。它不會影響任何美觀,但是會影響安全。而且,哪怕差幾個毫米,天線效率都會大幅下降。所以我們做的所有結構的精度,都是超乎所思的。


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舉個較直觀的例子。在我們的望遠鏡底部,你會看到這樣一排控制索:從一個角度看的話,是這樣一排;但如果換個角度,就只有一根。這個是非常、非常匪夷所思的精度控制,你要是知道它的施工順序的話,就更能體會它的難度。因為我們先做的是2000多臺促動器的基礎(圖中黃色部分),然後再做500米口徑的環樑,然後再把近萬根鋼索編織成索網,最後再把那根杆連上、把控制索連起來。500米的尺度下,視覺上能做到嚴絲合縫,我敢說這是一個工程的奇蹟。

整個施工方式也都是專門的FAST設計方案,因為施工場地限制非常大,大型設備沒法進。


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FAST有一些不可思議的施工方式,現在都形成了國家工法——在施工技術領域,已經是頂級的榮譽了。比如環樑,要像搭積木一樣,利用結構本身作為通道,一塊一塊地推進去。


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此外,所有的圈樑和饋源塔基礎都是在半山腰或者懸崖峭壁上,所以只能用最原始的人工挖孔樁的施工方式。我們最深的人工挖孔樁大概是38米深,相當於十幾層樓的高度,在下邊呼吸都會覺得困難;而且有非常大的風險,比如踢一個石子下去都是致命的威脅。


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還有索網的安裝。因為沒有場地,所以要在空中一根一根地散拼,1萬多根鋼索、2000多個界面,都是一個一個進行構架安裝。而且這些索,每個尺寸都不一樣,要麼長短不一樣,要麼粗細不一樣,規格大概有上千種,裝錯一根索網,就沒辦法成形。所以每個索都要做精細的安排,都打上二維碼現場進行識別,避免出錯。


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最高的塔大概170多米,起重機也沒法進,所以只能採用最原始的人工爬杆的方案,一根一根地進行拼裝。


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可以說,這個項目大概凝結了幾千名一線工人的汗水。經常有外國人到這來,走一走,轉一轉,然後感嘆:“只有你們中國能做到FAST”。我想,這主要是跟這些一線工人們有關,而不是我們。


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2016年9月20號,項目落成了,這是整體落成儀式上拍的一個照片。


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但這遠遠不是結束,只是新一輪挑戰的一個開始——更難的事情還在後面,那就是:望遠鏡調試工作

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FAST採用全新設計理念建造了世界上最大的望遠鏡,它可以突破百米工程極限,實現前所未有的靈敏度,優勢非常突出——但是,任何事情都有兩面性,在取得一定優勢的同時肯定要付出代價。傳統望遠鏡一般只有兩套驅動機構,一個自旋軸和一個俯仰軸,非常簡單。但對於FAST來講,光是反射面就需要2000臺促動器協同控制,安全風險也很大,是從沒有實現過的難度。

而且,我們還面臨非常多的問題。


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比如,右邊這張圖,控制系統大概分這樣三部分,由一百多個參建方參與建設,加上科研支撐控制系統,又能分出五個子系統,而且這五個子系統又是由五家單位做的。怎麼把他們各自負責的部分搭起來連到一塊,是我們面臨的非常困難的工作。後來我們乾脆把所有東西都接過來,一行行代碼親自改,大概用了四個月左右,實現了饋源艙科研支撐系統第一次整體聯調。


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這就意味著望遠鏡和科研艙的功能調試實現了:反射面可以動了,饋源支撐系統也可以跟蹤了。

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這是在2017年8月27號,FAST第一次實現了對固定目標元的跟蹤。我們一次跟蹤了10分鐘,一次跟蹤了40分鐘。我們最擔心的一件事就是望遠鏡能不能正常動起來——這個時候,有了答案。


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當時,我給南先生髮了一條微信,他非常高興。其實那個時候他已經身體很不好了,這也是我跟他最後一次交流。

剩下的,就是怎麼實現望遠鏡的靈敏度。其實只需要做兩件事:

第一,能不能把拋物做得完美——拋物面越完美,平行的電磁波打到拋物面上就越能彙集到點上。

第二,能不能把接收機放到焦點的位置上——離焦點越近,收集的信號就越強。

但是這兩件事,如何分解?比如反射面的精度,要把測量、控制、製作和安裝這一系列精度分解到某一個可獨立量化評估量,還要考慮技術方案能不能實現。整個過程是非常複雜的一個符號分解體系。


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舉例來說,我們現場測量採用全站儀,它是一個比較簡單的商品成品設備,花二、三十萬就可以買一臺。但是全站儀只是個相對位置的測量設備,只能測量目標點跟儀器本身的相對位置;而想要知道目標點的絕對位置,得首先要知道儀器本身的絕對位置。我們在現場做了20多個基準站,但定位這些基準站是花錢也買不到的事情。


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現場高差大概150米,人從底下走上去不會有任何感受;但事實上,之間的氣壓會有25毫帕的變化。光穿過不同密度介質會有折射,500米尺度下,氣壓變化導致的誤差就會達到5到10個毫米。另外,所有全站儀都採用水準座標系(也就是說,全站儀都指向地心的軸向方向),但在500米尺度下,會有夾角帶來的20毫米左右誤差,所以還要考慮地球的曲率。

經過半年左右的努力,我們發展了一套全新的測量技術,把測量精度最後做到1個毫米以內,是一個不太容易實現的水平。


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有了這些工作之後,FAST的靈敏度顯著提升。到現在為止,它的靈敏度可以達到2700平方米左右水平——相當於美國Arecibo(世界第二大望遠鏡)的三倍左右;相比GBT(綠灣射電天文望遠鏡)、Effersberg(埃菲爾斯伯格射電望遠鏡)等百米級的望遠鏡,FAST靈敏度大概是它們的十倍。這也是中國建造設備第一次在靈敏度參數上達到了世界之最


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現在,科學上也已經有首批科學成果了。

我們發現了很多脈衝星候選體,還探索到其他望遠鏡從未探測到的脈衝星現象——包括一些我們在去年2月份探測的毫秒脈衝星。毫秒脈衝星本來是費米望遠鏡在高能波段看到的,很多科學家都懷疑它可能是個脈衝星。Arecibo和Effersberg對這個源看了很久,都沒有找到;但FAST用一個小時跟蹤,就把這個脈衝星尋找到了。我們把觀測到的參數反饋給Arecibo之後,他們也找到脈衝星了;然後又反饋給費米望遠鏡,他們對過去八、九年的數據進行摺疊,最後也找到了。科學家對脈衝星的種類可能有一些新的定義,首批的科學成果已經發表在《中國科學》雜誌上。

我們團隊為這個項目投入了很多青春和汗水,南先生用最後的20年全力打造這臺望遠鏡,我後來的第三代、第四代科學家也在成長,把我們至少十年的青春投入到這臺望遠鏡,所以我們對這個設備有很多感觸和感情——


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首先,是不能忘記的初心。我們要造的是一臺好用的望遠鏡。我們不是隻是做世界最大——要做最大很容易,滿地鋪,總能鋪出世界最大。但如果要做成好用的望遠鏡,就是不同難度級別的挑戰。

第二,也對未來有美好願景。我們期待望遠鏡做好之後,未來的科學家們能用好設備。我們也知道,重大的科學發現不僅僅取決於設備的優良性能,也不僅僅取決於科學家的敏銳洞察力,可能還需要一些運氣。我們真心祝福他們有足夠的運氣,能產生一些重大原創發現。

第三,必須要接受現實。我們是工程團隊,儘管目前為止工程做得如火如荼,但未來的舞臺中心一定屬於科學家。我們也甘當綠葉,陪襯他們的光輝。我們工程團隊就像鐵打的營盤流水的兵,可能還會做其他的事情。


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最後,我們也有一點奢求:期待如果FAST能有一些重要的科學發現,希望大家還能記住這個大概100號人左右的團隊,用了20多年的青春,最後鑄就了中國利器。

謝謝大家。

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演講嘉賓姜鵬:《FAST:貴州群山深處,中國天眼正在睜開》

作者:姜鵬

編輯:吳歐、麥芽楊、凝音

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