“中国天眼”和它背后的中国科学家们

本着开放天空的原则，被誉为“中国天眼”的国家重大科技基础设施500米口径球面射电望远镜（简称FAST，现在人们更习惯叫它“中国天眼”）已于北京时间2021年3月31日零点向全世界天文学家发出邀约，征集观测申请，所有国外申请项目统一参加评审。征集项目的评审结果将于今年7月20日对外公布。观测时间将从今年8月开始。

2019年《中国报道》记者曾赴位于贵州平塘的“中国天眼”采访并对话国家天文台射电天文研究部首席科学家、FAST副总工程师李菂，他对记者说，我们希望FAST“能为全世界天文学家所用”。

今天报道君再推送这篇旧文，以期让大家更了解FAST及它背后的中国科学家们的故事。

从2009年至2016年，FAST工程历年进展图

FAST选址位于贵州省黔南州平塘县的大窝凼，工程从2008年底正式奠基，2011年3月，台址开挖工程启动，2016年9月整体竣工并投入使用。

飞机落地贵阳龙洞堡机场，再从这里出发，经修葺一新的盘山公路，乘车向南3个小时左右，会到达平潭县克度镇一个叫作大窝凼的小村寨，它偏远到附近5公里半径之内都没有其他村镇了。2008年12月26日这一天，就在这里发生了一件大事——500米口径球面射电望远镜（FAST，现在人们更习惯叫它“中国天眼”）奠基仪式在这里举行。

彼时，距北京奥运会闭幕正好过去4个月。这一天，有几铲土盖在一块奠基石上，石头的背面有两行字：北筑鸟巢聚圣火，南修窝凼落星辰。这一天就这样在世界天文科技史和中国天文科技年鉴上，写下了浓墨重彩的一笔。为了这一天，有很多人艰难执着地探寻了整整15年。

时间回到1993年，那一年，在日本东京召开了国际无线电科学联盟大会，科学家们提出要建设新一代射电“大望远镜”，为10年、20年后的射电天文学发展做打算。“我们也建一个吧。”国际上提出来要建平方公里望远镜，时任中国科学院北京天文台副台长的南仁东则跟同事提议，可以根据中国的国情，建造我们自己的大望远镜。

探索太空，从未停止

射电望远镜是在无线电波段观察宇宙。由于无线电波可穿透宇宙中大量存在的星际尘埃（光波无法通过），因而射电望远镜可以观测到更加遥远的未知宇宙。如果把光学望远镜比作显微镜，那么射电望远镜就是CT机。通过它可以扫描宇宙空间超精细的物质信号，获得更准确的天体结构图。

1939年，美国科学家格罗特·雷伯用一台灵敏度很高的接收机意外发现了来自银河中心稳定的射电辐射，从此开启了射电天文学的大门。而为了观测宇宙深处的生命信息，人们只有借助更大的射电望远镜才能做到。

已故的南仁东在他2009年所著《FAST——500米口径球面射电望远镜》一文中说，大望远镜的建设不是经济利益驱动的。它来源于人类的创造冲动和探索欲望，同时针对当时的前沿热点科学问题。例如远在北大西洋西海岸，曾经是世界第一大、直径350米的阿雷西博射电望远镜，就发现了脉冲双星，为引力波的存在提供了证据。

FAST的诞生，数十年的摸索

南仁东的一句话，就把他自己的命运与FAST牢牢地绑在了一起。

1995年底，北京天文台联合国内20余所大学和研究所，成立了射电“大望远镜”中国推进委员会，提出了利用贵州喀斯特洼地建造球反射面，即“阿雷西博型天线阵”的喀斯特工程概念。贵州天然喀斯特洼坑提供的条件，始终都是中国大射电望远镜最独到、成为世界最大最强的基础。此后，中国科学家们进一步推进喀斯特概念，提出独立研制一台新型的喀斯特单元，即500米口径球面射电望远镜。要知道，当时世界上最大的射电望远镜阿雷西博射电望远镜直径也才350米。

为了给新一代射电“大望远镜”安家，科学家们通过卫星遥感把贵州喀斯特山区翻了个遍。南仁东从200多张遥感图像里挑选出所有接近圆形的洼地，然后闷着头钻进贵州的大山里。“那几年南老师踏遍了当地所有的洼地。”南仁东的学生甘恒谦回忆说，他拄着竹竿翻山越岭，到现场去勘察，这个洼地适不适合建FAST，距离嘈杂的闹市有多远？他爬的山路连当地的农民看了都摇头。遴选的结果就是，位于黔南州平塘县的大窝凼两次都获最高分。

凼，音“荡”，字义为水坑。“大窝凼”曾经是一个同族13户人家的寨子。它周围三座山峰呈三足鼎立之势，每座距离几乎都在500米左右，中间的洼地刚好形成一个天然的“灶台”，正好可以安放FAST这口“大锅”。“当时到这里来勘测，明显感觉比其他的凼更圆一点。”当时是FAST首席科学家的南仁东对媒体回忆说。从1994年正式启动贵州选址工作到2006年FAST项目最终落户平潭县大窝凼，已经过去了12年。

陆续工作马不停蹄地展开——2007年7月，FAST项目正式立项；2008年10月，国家发改委批复项目可行性研究报告⋯⋯2011年3月，FAST工程正式开工。南仁东曾说，“工程最难的一点在于，世界上没有其他的技术或工程可以借鉴。所有东西都需要自主创新。”

值得一提的是，FAST如此巨大的一个工程项目，一直没有总承包商，所有的项目都要一家家地来谈，FAST工程总工艺师兼主动反射面系统总工王启明解释，“一是因为确实经费紧张，更重要的是，哪个总包能够很懂天文学？”在建设过程中，有几十位博士后和博士生在这个项目上开题，来自不同专业的数百名科技人员参与了望远镜的预研究和设备研制。

王启明2016年接受媒体采访时介绍，FAST项目工程具有三大创新：第一，我们充分利用了这个独特的喀斯特地貌洼地，这个地质可以保障雨水向地下渗透，不会在表面淤积而损坏和腐蚀望远镜。第二，洼地内铺设数千块单元组成500米球冠状主动反射面，总面积达25万平方米。这个主动反射面是能够变形，能从球面渐变成抛物面。第三，它的索网结构可以随着天体的移动而变化，可以观测到任意方向的天体。同时，馈源舱也随索网一同运动，采集反馈信息。

时间终于来到了2016年9月25日，这一天FAST工程整体竣工，实现了包括耐疲劳钢索在内的30多项自主创新的专利成果，是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

当贵州深山里的FAST已经渐渐张开“天眼”探索宇宙，而南仁东却在2017年9月15日因病去世，永远地闭上了眼睛。被南仁东引领进项目的国家天文台射电天文研究部首席科学家李菂回忆起南仁东时说，“他在这个项目上几乎投入了他的整个后半生和职业生涯，让这个项目成为了现实。”如今在中科院FAST重点实验室外，立了一座朴实无华的南仁东雕像，有野花扎成的美丽花束摆在雕像下。

张开“天眼”，面向未来

当《中国报道》记者真正站在了这个单口径500米、接收面积相当于近30个足球场（25万平方米）的世界最大单口径射电望远镜面前时，终于理解了这个巨大的反射面为什么被称作“天眼”。

射电望远镜通过接收来自宇宙中的电波信号来获取并分析各种信息。如果把巨大的反射面比作眼睛，那上万根钢索和数千个托起反射面单元组成的球冠型索膜网就是这只巨眼的“视神经”。当4450块186种大小不同边长的三角形反射面单元逐一在索网上拼装完毕后，“天眼”的眼底就变成了一口“大天锅”。“天眼”正是通过这口“大天锅”接收来自宇宙的无线电波，再将收集到的微弱信号汇集到极高灵敏度的“视网膜”（馈源接受系统），进行还原、转化、分析。FAST在馈源与反射面之间无刚性连接的情况下，可以实现毫米级的指向跟踪。

当站在这个空旷的山谷里面对“天眼”时，《中国报道》记者更强烈地感受到的是未知。也许“未知”这个词也曾经是“天眼”工程师们所面对的。毕竟，南仁东曾经也说过，“什么都不是绝对的。发现离不开好设备，同样也需要机敏和洞察力，也许还要有好运气。”

好运气总是眷顾努力的人们。2017年10月10日，“天眼”首次对外宣布发现脉冲星，但实际上，李菂的激动心情来得更早一些：“当我们知道了整个系统是可行的，这种感觉有点像我拥有了全世界，并等待屏幕更新数据⋯⋯那一刻是我一生中最激动的时刻。”截至2019年8月底，“天眼”已发现132颗优质的脉冲星候选体，其中有93颗已被确认为新发现的脉冲星。

发现和观测脉冲星是FAST主要的应用价值之一。探索太空生命起源和寻找地外文明就是人们更感兴趣的作用了。人们总会提出一个问题就是我们是独自生存在宇宙中吗？而现在，李菂对《中国报道》记者说，“我们拥有了技术能力并拥有了我们的文明，我们不仅可以探索我们赖以生存的星球，而且可以向更遥远、更深入的宇宙望去。”

记者2019年9月在FAST实验室基地见到了李菂，这个在青少年时代被阿雷西博望远镜吸引而后投身射电天文学的科学家，已经从美国回国参与这个项目8年了。这个挨着天眼所建的实验基地里，景色清新，会经常有各地来参加实验观测的研究者轮换，也还有一批驻守的年轻工程师和观测助手。

在项目竣工之前，李菂接连3年的春节都是在现场度过的。他现在每个月也都会来基地里看看中控室机器的调试工作等。目前“天眼”还处于建成后3~5年的调试和试观测阶段，李菂介绍说，对于目前发现脉冲星的速度，“在调试阶段是满意的，以后还将每年发现100颗左右。”就在今年9月，FAST对一个快速射电暴进行了跟踪观测，探测到多次重复爆发，其捕捉的爆发数量是已知全世界最多的。

而“天眼”还有一个很大的价值不应该被忽略，它也极大地提高了中国人的天文素质。在FAST实验基地已经待了6年的工程师黄琳对《中国报道》记者这样评价说，“以前来参观的人都是问，你们的望远镜能看多远？但现在的人都问的是脉冲星、黑洞⋯⋯”这或许也是在这个偏远的天眼实验基地里，众多年轻工程师们为了梦想和情怀坚守多年而值得欣慰的一点。

对话国家天文台射电天文研究部首席科学家、FAST副总工程师李菂——

“我们希望能让FAST更强大，能为全世界天文学家所用”

中国报道：天体物理学对于大多数人来说很遥远，该如何向大众传达这种研究的价值呢？

李菂：在基础研究方面，我认为天文学与其他基础研究很类似，而且自天文学发端的事物通常从一开始就可以延续百年。因此，我们的工作和任务是持续探索宇宙，尝试寻找未知事物。与此同时，我们将人类认知带入一个新领域。这一切努力的真正价值就是扩展人类知识的前沿。以后人类总会面对现在甚至无法想象的问题，我们就不会惊慌，因为持续储备知识，才有可能面对当前无法想象的问题，达成当前还彻底未知的解决方案。如果我们停止探索了，就不能直面难以预测的挑战，因为我们总是被现有的、有限的知识禁锢。

中国报道：当“天眼”第一次发现脉冲星，成为中国第一个发现脉冲星的天文设备，您当时是何感想？

李菂：到了2017年夏天，我们已经有了大部分的主要设备，包括超宽带接收机，这是我们接收团队和联络团队之间共同的努力成果，它们经过了全面测试，涵盖了很大的频率范围，适用于寻找所有星系。在我们确认发现的第一个脉冲星时，我把这个消息发给了调试团队工程负责人姜鹏博士和南仁东博士，我说我们已经确认了这一发现，那时我不知道南仁东博士的病情已经恶化了，在那之后他就进了ICU，不久之后他就过世了。我真心希望他看到邮件⋯⋯虽然我知道他内心深处对FAST、对他投入一生的工作充满信心。

中国报道：您对FAST有什么样的畅想？20年后它会是什么样？

李菂：我现在主要关心的是两项巡天：一种是漂移扫描，获得了57%的天空图像。另外一种就是跟踪，可以更深入了解太空，希望在附近的螺旋星系中发现第一个射电脉冲星，那可能需要5~10年的时间。我们已经获得了有用的数据，我感到很幸运和欣慰。作为FAST项目成员，我们希望能进一步完善设施，使其更强大，为全世界的天文学家所用。

本文刊发于《中国报道》2019年12月刊

撰文：《中国报道》记者 何晶

采访：解读中国工作室

供图：中科院FAST重点实验室

摄影：《中国报道》记者何晶

▼

系列报道回顾

▼

对话欧阳自远：“请不要叫我‘嫦娥之父’”

对话王贻芳：“努力为科学高楼再添一块砖”

对话潘建伟：“对于整个量子技术领域，我们仍处于早期阶段”