“中国天眼”成果爆发，这口“大锅”为何了不起？｜2022腾讯科学WE大会

仰望星空，我们常会问：我们是谁？我们从哪里来？我们是否孤独？

1608年，一位荷兰眼镜商人将两片透镜排成一线，不经意间发现了望远镜的秘密。1609年，意大利天文学家伽利略将人类文明史上的第一台天文望远镜对准星空，人类从此进入了可以用望远镜窥探星空奥秘的时代。

400多年来，为了让望远镜看得更远、更清晰，科学家们在各种新材料和技术的组合与创新中不断尝试。望远镜成为科学技术史的记录者和见证者，它们不仅折射出当时最前沿的科技，也记载着一代代人对知识最无尽的渴求。

这次，腾讯科学WE大会邀请到“中国天眼”总工程师姜鹏，为我们分享世界最大单口径射电天文望远镜的发展历程与最新成果。

望远镜诞生后的300多年里，光学望远镜一直是天文学家最主要的研究工具。从伽利略折射望远镜，到牛顿反射望远镜，再到施密特折反射望远镜，光学望远镜的种类越来越多。

当时间走到20 世纪 30 年代，射电望远镜以出乎意料的方式加入了望远镜家族。

1931年，美国贝尔电话公司的无线电工程师卡尔•央斯基在新泽西州架起了一座无线电接收机，目的是找到新安装的北大西洋无线电话受干扰的原因。起初，这件事与天文学并没有什么直接关联，直到有一天，央斯基从耳机中听到一种连续不断的“嘶嘶”声。

经过一年多的追踪，央斯基发现，这个声音的强度，与地球相对于恒星的自转周期有着相同的周期性变化。当他把天线指向恒星中的人马星座时，更奇妙的现象发生了——干扰信号强度达到了最强级别。

1937年，美国无线电工程师格罗特•雷伯决定追随央斯基的步伐。他掏空多年积蓄，在自家后院建了一个直径9.45米的抛物面天线，成了人类在地球上架起的第一台射电望远镜。

千万年来，人类一直想用肉眼看清星河里的天体模样。可是，人类目力有限，光波也穿不透宇宙中的尘埃。但无线电波却可以。射电望远镜诞生之后，弥漫着星际尘埃的广袤宇宙，开始以电磁波信号的形式向人类展露出肉眼未曾见过的奥秘。

从此以后，射电望远镜的家族成员逐渐增加。其中，位于德国波恩附近一个山谷里的埃菲尔斯伯格射电望远镜，抛物面天线直径可达100米，在1972年启用，号称当时“地面最大的机器”；位于美国波多黎各岛上的阿雷西博望远镜，口径305米，后来扩建到350米，也曾一度是世界上最大的单镜面射电望远镜。

阿雷西博望远镜（图源：UCF官网）

到21世纪，就在射电望远镜的数量已经多到需要通过“全球十大射电望远镜”名单来一决高下时，“中国天眼”来了。

2016年9月25日，在贵州省一个不知名的小村落——平塘县克度镇的喀斯特洼坑里，“大锅”一样的“中国天眼”建成。又经过几年调试，2020年1月11日通过国家验收，正式投入使用。

虽然出道不算早，但从出道那天起，它就让地球上很多射电望远镜黯然失色。

射电望远镜一般会把反射面做成抛物面的形状，然后在焦点位置放置一台接收机，这样便能够收集天体发出的电磁波信号，并进行天文观测。

望远镜抛物面的面积越大，汇集的信号就越多，也就越能探测到更暗弱、更遥远的天体，而“中国天眼”是世界最大的单口径射电天文望远镜，这使它能比一般的射电望远镜看得更远、更多。

不仅如此，“中国天眼”对反射面和接收机的设计，都不同于世界上已有的单口径射电望远镜。

它在国际上首创了主动反射面，反射面既可以调整成球面，也可以调整成抛物面，实现对天文信号的高效收集和观测。它的“瞳孔”——馈源舱不仅比一般望远镜更小巧，还可以通过轻型索驱动控制系统，自如地改变角度和位置，这使它在有效减少光路遮挡、减少干扰信号的同时，还能更有效地收集、跟踪、监测的宇宙中的电磁波。

正是这些独特的设计，让“中国天眼”成为全球射电望远镜排行榜上不会缺席的四个字。

在“中国天眼”规划建设前，中国只有两台口径不到30米的射电望远镜，国外重大的全球望远镜计划也都不让中国人参加。

1993年，在日本京东召开的国际无线电科学联盟大会上，就在国际科学家讨论要建造新一代射电望远镜，以接收更多来自外太空的讯息时，南仁东先生向同事提出：“我们也建一个吧！”

最初，他们只是计划建一个口径不小于300米的射电望远镜。在南仁东先生历时十多年找到贵州平塘县的大窝凼后，他们发现，这里可以容纳一个口径500米的望远镜。

口径500米是个什么概念呢？直观地说，建成后的“大锅”，面积将大约是30个足球场或8个鸟巢，如果在“大锅”里装满水，将够全世界所有人每人分4瓶。

按照设计，科学家和工程师要先建起一个巨大的环梁，然后用近万根钢索编制成了一个500米口径的“大锅”，挂在环梁上。为了让反射面能够实现变形，索网上还要装2000多根下拉锁。“大锅”上方则有一个“瞳孔”般的馈源舱，重达30多吨，钻石状，由六根钢索拖动，在距离地面140米至180米、直径为206米的球冠面上运动，以便对信号进行收集。总而言之，这是一架极其复杂的望远镜，工作原理也跟传统望远镜大不相同。

“中国天眼”总工程师姜鹏就是在“大锅”设计之初加入团队的。2009年，姜鹏刚刚博士毕业，研究的是结构力学。正在找工作的他在网上看到了一张招聘启事，上面写着：“一个500米直径的索网，能变形，抛物面可以在它的不同的部位形成，而且要求控制精度达到毫米级……”

对于姜鹏来说，这是一个充满了诱惑力的项目，满足了他对一个传奇工程的所有预期。

加入 FAST 团队后没多久，姜鹏就被派到贵州大山深处。来去的路上经常被山上落石阻断，姜鹏和同事们就下来搬石头，为车开路。

工程技术同样举步维艰。其中，索网技术就是险些让整个工程“翻车”的关键技术之一，而姜鹏正是这项世界上跨度最大、精度最高、工作方式最特殊的索网工程的负责人。

当时，他们面临的最大挑战是索疲劳。什么样的索网，能30年不坏、分毫不差地撑起这口“大锅”？

姜鹏等人从市面上知名厂家买来十根钢索，然而，在疲劳实验中，所有钢索都失败了。这件事很快在天文圈里传开，很多人都说“中国天眼”要完了。

痛定思痛，姜鹏重新精确评估“中国天眼”对索网疲劳性能的要求，并对索网变位策略进行优化分析，最终提出，焦比为0.4621是对钢索的疲劳损伤最小的最优变位策略。

在此基础上，姜鹏又提出了评估索网疲劳性能的大规模仿真分析方法，得出的结论是，“中国天眼”需要强度为500兆帕、抗200万次弯曲的钢索，这意味着需要把材料工艺提高到国标的2.5倍。

在近两年没日没夜的钻研和近百次失败与沮丧后，姜鹏等人才最终像做梦一般，研制出适用于“中国天眼”的成品钢索结构。

索网合拢时，南仁东（右五）、姜鹏（右一）与现场工人一起合影留念，没有鲜花，也没有任何仪式，但这却标志着“中国天眼”度过了建设阶段最困难的难关。（图源：姜鹏）

望远镜在工程建设完成后都必须开展性能调试，以确保望远镜能达到设计时提出的灵敏度、指向精度等硬指标和可靠性、稳定性等软指标，“中国天眼”也是如此。在“中国天眼”转入调试阶段后，姜鹏从南仁东先生手中接过接力棒，带领团队开展调试工作。

“中国天眼”的调试工作涉及天文、力学、结构、测量、控制、电子学等专业领域，调试方案的设计者必须全面掌握这些领域的知识。于是，姜鹏开始了新一轮的学习，他用最快的速度学习和了解望远镜所涉及的所有技术领域，然后用近三个月时间完成了望远镜总体调试方案及计划。

在国际上没有任何参考经验的情况下，姜鹏带领团队攻坚克难，用时两年完成了调试任务，实现了跟踪、漂移扫描、运动中扫描等多种观测模式，完成了望远镜的系统集成和功能性调试任务。

调试取得进展后，姜鹏第一时间向身体虚弱的南仁东先生汇报了工作：“我们的望远镜能跟踪了。”得知自己最担心的问题得到解决时，南仁东先生回复说：“祝贺啦！结果不错！”这是姜鹏与南先生生前的最后一次交流。

调试进展超过同行预期及国际惯例，其中灵敏度是美国阿雷西博望远镜的 2.5 倍以上，中国建造的射电望远镜首次在灵敏度这个核心参数上占据了世界的制高点。

姜鹏（右二）与同事李辉（右一）在现场一起调试反射面安全评估系统的场景（图源：姜鹏）

“中国天眼”有丰富的科学目标：

• 巡视宇宙中的中性氢，研究宇宙大尺度物理学，以探索宇宙起源和演化；

• 观测脉冲星，研究极端状态下的物质结构与物理规律；

• 主导国际低频甚长基线干涉测量网，获得天体超精细结构；

• 探测星际分子；

• 搜索可能的星际通讯信号。

任何一个科学目标的实现，都将是轰动全球的重量级成果。

而事实证明，从“中国天眼”投入运行至今两年多，它确实因为重量级成果，频繁在国际舞台上亮相。例如，《自然》2020年十大重要科学发现、《科学》2020年十大科学突破，都有来自“中国天眼”的成果。

姜鹏说，“中国天眼”已进入成果爆发期。

2022年，“中国天眼”是国际顶级学术期刊上的常客——

磁场在恒星、行星和生命的产生中发挥着重要作用，过程复杂。“磁通量问题”是恒星形成经典三大问题之一。今年1月，科研人员借助“中国天眼”的力量，采用原创的中性氢窄线自吸收方法，首次获得原恒星核包层中的高置信度的塞曼效应测量结果，挑战了星际磁场标准模型，为解决恒星形成三大经典问题之一的“磁通量问题”提供了重要的观测证据。该成果发表于《自然》杂志。　

2022年1月“中国天眼”关于星际磁场的研究成果登《自然》杂志封面（图源：中国科学院国家天文台）

快速射电暴是宇宙中偶发的射电爆发事件，科学家至今不清楚快速射电暴的物理起源，及其机制。今年9月，“中国天眼”快速射电暴优先和重大项目科学研究团队，对快速射电暴FRB 20201124A进行深度观测，获得了迄今为止最大的快速射电暴偏振观测样本，首次探测到了距离快速射电暴中心仅1个天文单位（即太阳到地球的距离）的周边环境的磁场变化，对确定快速射电暴中心引擎机制迈出关键一步。该成果又发表于《自然》杂志。

“中国天眼”探测到快速射电暴密近环境的动态演化（图源：中国科学院国家天文台）

观测宇宙中的气体是天体物理中一个非常重要的研究课题，宇宙中所有天体的起源都离不开原子气体。今年10月，科学家又借助“中国天眼”，发现了一个尺度大约为200万光年的巨大原子气体系统，比银河系大20倍，这是迄今为止在宇宙中探测到的最大的原子气体系统。该成果再登《自然》杂志。

“中国天眼”探测到的“斯蒂芬五重星系”周围天区中的原子气体分布（图源：NASA、ESA、CSA、STScI）

在一次次登上国际天文学舞台的同时，“中国天眼”也在将人类对宇宙的认识边界往外推出一点点，又推出一点点，再推出一点点……

每一次向未知领域的突围，它都全力以赴。它的年观测时长超过5300小时，远超国际同行预期的工作效率。截至今年7月，科学家通过它发现的脉冲星已超过660颗，这个数量是同一时期、国际上所有射电望远镜发现脉冲星总数的5倍以上。

从2021年3月31日开始，“中国天眼”正式向全球开放共享，并向全球天文学家征集观测申请。它在用行动表明，在探索浩瀚宇宙的漫长征途上，没有地域的隔阂，因为这件事关乎人类存在的最基本问题，更关乎全人类的过去、现在和未来。