6月,隨著夏季到來,貴州山區迎來雷電、暴雨、大風等惡劣天氣的小高峰。
身在北京的辦公室,中國科學院國家天文臺中國天眼(FAST)運行和發展中心團隊(以下簡稱團隊)成員、高級工程師于東俊卻關心著遠在貴州的FAST的安全運行。
這天,他手機里的天氣預報群彈出新信息:短期內FAST所在地區可能會有雷暴。為預防雷電、冰雹對某些電氣設備產生的影響,他們按照預案做了相應預防準備工作。
作為當今世界最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡,FAST如今每天觀測時長接近24小時,每年總觀測時長超過5300小時,持續不斷地為科學家提供寶貴的數據。其高水平穩定運行,離不開該團隊100多名同事的默默守護。
近期,團隊正在緊鑼密鼓地推進FAST核心陣的實驗陣建設,力爭2030年前在FAST周邊30公里范圍內建成由數十臺40米口徑天線組成的綜合孔徑陣列,旨在進一步提升FAST性能。
該科研團隊獲得中國科學院第六屆“科苑名匠”稱號。
雷打不動的“730會議”
2016年9月FAST正式落成后,團隊投入到調試任務中。
望遠鏡建成之后能不能用、好不好用,關鍵就看調試能否成功。4450塊反射面板、2225臺促動器、6根鋼索、30噸重的饋源艙,這些子系統必須像交響樂一樣完美的配合,才能夠保證望遠鏡精準的指向目標,并且接收宇宙當中微弱的信號。
“當時,對FAST調試絕非簡單的設備測試,牽一發而動全身,稍有閃失,就可能功虧一簣。”FAST運行和發展中心副主任潘高峰介紹。
那段時間里,每天白天大家各自分散在望遠鏡各處的不同崗位上,晚上7點半準時匯聚到總控室里,舉行雷打不動的“730會議”。會議上,每人匯報當天的工作進展,確定第二天的調試內容。
“用數據說話”“問題不過夜”“必須有備用方案”是“730會議”的三大鐵律,也成為團隊成員之間難得的默契。
于東俊記得,2019年春節前后,饋源支撐測量測試已經到了最后階段,為了全力沖刺,他和許多同事春節都沒有回家。“那幾個月里,我們反復進行數據分析、找問題,修改算法,再驗證,才按計劃把系統可靠性和測量精度提上來。”他說。
正是這種嚴謹的工作作風和高度的責任感,使FAST在短短不到兩年的時間內就完成了調試,達到了驗收指標,比國際同類望遠鏡的調試周期縮短了一半多。
調試者們的堅守,讓這只“觀天巨眼”真正具備了洞察宇宙的能力。
FAST索網工程完成合龍(團隊供圖)
科學家是“紅花”,我們是“綠葉”
如今,FAST已經建成8年多,團隊的重要任務之一是負責望遠鏡的維護和運行工作。
“保護望遠鏡的安全是很大的責任,是我們內心最緊的一根弦。”于東俊表示。FAST配備了2000多臺促動器和6套鋼索驅動系統,這些設備的故障率直接影響其運行的可靠性。
很多去過FAST現場的科研人員有過這樣的獨特體驗:在貴州山區常常有雷雨天光顧,外面下著瓢潑大雨、電閃雷鳴,FAST依然正常運行,科學家在室內開展的數據接收、處理工作絲毫沒有受到影響。
這主要得益于先進的測控系統的支持。“運維專家團隊扎扎實實地不斷研發、升級測控系統,保障了FAST持續穩定運行。”中國科學院國家天文臺副臺長、中國天眼(FAST)運行和發展中心主任姜鵬表示。
在FAST觀測時間段,也有科研人員親眼見證運維人員在上百米的高空同步進行搶修、維護。運維團隊日夜不停歇,筑牢FAST穩定運行保障的堅實堡壘。
于東俊介紹,除了每個月固定有2天望遠鏡關機進行維護和保養外,年度科學觀測時長達到5300小時。
即使FAST已經盡可能“超長運行”,但觀測時間的申請仍然非常激烈,獲批率約為五分之一。也就是說,科學家每申請5小時的觀測時間,平均只有1小時能夠獲得批準和支持。
在團隊成員們心中,這正反映出科學研究對高質量天文觀測數據的需求之大。“確保望遠鏡的高效運行和維護不僅對于設備本身的性能至關重要,同時也直接影響到能否為更多的科學研究提供支持。”于東俊表示。
截止2024年11月,FAST已發現脈沖星1040余顆,超過同一時期國際其它望遠鏡發現脈沖星數量的總和;開展了中性氫巡天任務,構建并釋放了世界最大的中性氫星系樣本;在快速射電暴起源及納赫茲引力波探測等領域取得了一系列具有國際影響力的重要成果。
這令團隊成員感到欣慰,正如姜鵬常常鼓勵大家:“科學家是‘紅花’,我們就是‘綠葉’。”
工程師對上萬臺設備構成的復雜控制系統進行集成調試(團隊供圖)
“精神坐標”永存
在FAST,南仁東是永遠的“精神坐標”。“沒有南先生的堅持,就不會有這個項目。”幾乎所有人都相信這一點。
潘高峰生動講述當年的情景:12年的時間,南仁東和同事帶著砍刀,拄著竹竿穿梭在貴州的喀斯特山區。當地氣候復雜多變,經常突降大雨,他們打著傘披上塑料布繼續前行,甚至有的地方遇到山洪裹著沙石連樹都能沖走。
等到開工在即,他們又為鋼索所困。為了讓望遠鏡的反射面能在球面和拋物面之間靈活變形,所采用的鋼索要在500兆帕應力幅下,能夠承受200萬次應力循環而不能斷裂或損壞。“市場上買的所有鋼索在實驗室疲勞實驗中全軍覆沒,這也就意味著FAST最主要的主動反射變形技術無法實現,甚至可能造成整個工程夭折。”潘高峰回憶,“那段日子團隊成員憂心忡忡,他們承受著巨大的壓力,無路可退。”
團隊聯合國內的鋼索企業、高校經過近兩年的攻關,成功研制出滿足要求的鋼索結構。更讓團隊自豪的是,這項技術走出了天文領域,還應用到國內外多個重要橋梁工程中。
姜鵬也記得,當年他和南仁東一起爬到塔上,南仁東對他說,這個望遠鏡將來沒有做成,他就從這里跳下去。“初聞不識語中意,聽懂已是話中人。”如今,從南仁東手里接過接力棒的姜鵬已經理解這句話的深意,繼續以南仁東的方式守護著FAST。
2017年,南仁東因病逝世,團隊至今還保留著他的辦公室,門上掛著“南仁東”的名牌。
于東俊幸運地被分配到相鄰的房間。每當他回到北京,總會以這樣一種特殊的方式與他心中的“精神坐標”南仁東先生“相遇”。南仁東身上的“敢為人先”和“精益求精”一直激勵著他。
為確保項目順利推進,南仁東事必躬親,常年扎根于建設現場。小到鋼結構的計量測算,大到工程的整體規劃,每一個細節他都親自把關、反復確認,將精益求精的精神貫穿始終。
FAST全景圖(團隊供圖)
核心陣列未來已來
如今,青年一代不忘傳承和發揚南仁東的精神。“是南先生的‘敢為人先’讓我國射電天文學有了領先世界的寶貴機會。”于東俊表示。而要維持世界領先的地位,則要依靠持續不斷的創新。
當前,國際射電天文學的發展正朝著更高的空間分辨率、更精細的譜線分辨率以及更高的靈敏度方向推進,以便探測到更暗弱、遙遠的天體。
于東俊向《中國科學報》介紹,近年來,平方公里陣列射電望遠鏡(SKA)和下一代甚大陣列(ngVLA)等國際大科學計劃相繼啟動,計劃于2029年和2035年分別完成其第一階段的建設任務。“這兩個射電望遠鏡陣列的建成投用,必將對FAST的性能優勢帶來挑戰。”他說。
為了始終保持射電波段視野的最前沿,FAST混合口徑陣列設想應運而生。2024年,就在FAST落成啟用8周年之際,FAST實驗陣建設正式啟動。
按計劃,到2030年,在FAST周邊30公里范圍內建成由數十臺40米口徑天線組成的大型干涉陣列,從而大幅提升FAST的綜合性能,繼續保持FAST的國際領先能力。
于東俊介紹,實驗陣中的兩臺實驗樣機已經建成,相關的關鍵技術也通過與FAST的聯測進行了初步驗證。目前,他們正在圍繞FAST工程二期規劃、相位陣接收機等關鍵技術進行攻關。
團隊成員們充滿期待,未來已來,FAST核心陣將進一步提升靈敏度,尤其是增加高分辨率定位及成圖的能力,有望長久保持FAST在國際同類設備中的領先地位。
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