科技日报记者 陆成宽
九月的贵州平塘，群山叠翠，绿意葱茏。走进大窝凼，四面环山的洼地里，“中国天眼”安卧其间，静静捕捉来自遥远宇宙的微弱信号，500米口径的银色反射面在阳光下泛着微光。
9月25日，“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST）迎来落成十周年。从2016年落成至今，这座大科学装置从建设调试走向高效运行，成为我国射电天文领域的核心观测平台。正如中国科学院国家天文台副台长、FAST总工程师姜鹏所说：“经过十年耕耘，FAST推动中国射电天文学实现从跟跑到世界领跑的历史性跨越。”
十载巡天硕果盈枝
十年来，FAST在脉冲星、中性氢、快速射电暴、纳赫兹引力波等研究中取得一系列具有国际影响力的科学成果，成为全球最重要的天文观测设备之一。
在脉冲星搜寻方面，FAST累计发现脉冲星超1300颗，超过同期国际上其他望远镜发现脉冲星数量的总和，其中至少包括170余颗毫秒脉冲星、160余个脉冲星双星系统，以及目前已知轨道最短的脉冲星双星系统。
“FAST的超高灵敏度，使我们的脉冲星探测能力实现了从‘看得见’到‘看得更多、更暗弱’的跨越。过去被噪声淹没、难以捕捉的微弱脉冲星信号，如今能被有效识别，更多脉冲星和脉冲星双星系统由此进入人类视野。”中国科学院院士韩占文强调。
除脉冲星外，FAST在中性氢巡天领域也取得重要进展。FAST中性氢巡天项目已发布第二期数据集，共探测到15.6万个中性氢星系，覆盖近半个天穹，样本数量是此前国际同类巡天项目的5倍，构建起当今世界规模最大的中性氢星系样本库。
在快速射电暴研究方面，今年1月，中国科学院紫金山天文台副台长吴雪峰牵头的团队利用FAST，在国际上首次完整观测到重复快速射电暴法拉第旋转量剧烈跃变并随后回落的演化过程，为快速射电暴起源于双星系统的假说提供了关键观测证据，相关成果发表于《科学》杂志。吴雪峰认为，FAST为捕捉重复快速射电暴的爆发细节、破解快速射电暴之谜，提供了不可替代的观测能力。
从脉冲星到中性氢，再到快速射电暴，FAST的成果不断积累。截至目前，基于FAST观测数据，科研人员累计在《科学》和《自然》主刊发表论文13篇，相关成果两次入选《科学》评选的十大科学突破，一次入选《自然》评选的十大科学发现。
核心部件自主可控
科学成果的不断涌现，背后离不开关键技术的自主可控。回望FAST建设之初，有些关键部件曾依赖进口。十年来，在调试运行过程中，姜鹏带领的FAST团队先后攻克了一系列工程技术难题，并实现诸多核心部件的国产化。
调试初期，团队首先遭遇的难题，是如何确保巨大的柔性索网安全运行。FAST反射面由2000多台促动器通过索网连成一体，牵一发而动全身，个别部件出问题就可能挤压面板、拉坏索网。“我们用力学仿真在计算机里建起一套数字孪生系统，实时模拟索网动作，评估应力、位形和碰撞风险。曾经有一次误操作把数据拉到极限位置，正是这套系统报警，避免了事故。”姜鹏回忆。
索网安全得到保障后，下一个难题是如何让这面巨大的柔性反射面达到毫米级控制精度。团队利用力学仿真技术，用现场载荷、温度、位形等信息不断修正力学模型，把动态精度做到2毫米以内，不再依赖难以实现的600多节点实时测量反馈，满足了瞬时抛物面毫秒级的控制要求。面对单一测量手段无法满足馈源支撑测控全天候、高精度需求的现实问题，团队将全球卫星定位、全站仪、惯导等多种测量手段融合起来，让FAST在雨、雾、风等复杂天气下也能全天候高精度运行。
核心部件国产化方面，钢丝绳是代表性案例。馈源舱由六根总长近4千米的钢丝绳驱动，最初依靠国外公司供应。棘手的是，进口钢丝绳的润滑油脂在FAST工况下要么凝固成油泥、要么滴落污染反射面，运维人员需要频繁上到100米高空清理。研发团队历经两年半攻关，今年6月完成全部六根钢丝绳的国产化更换并通过专家验收。
十年之中，FAST团队还实现了低噪声放大器、常温接收机等一系列核心部件的国产化。姜鹏表示，这些技术突破让FAST真正成为一台好用的望远镜。
FAST二期再启新程
作为单口径望远镜，分辨率不足是FAST无法回避的天然局限，有些区域它能看见，却看不清。如何在不牺牲灵敏度的前提下补上这块短板？FAST团队给出的答案，是FAST二期工程。
“我们正规划在FAST台址周边30公里核心保护区内，新建数十台40米口径天线，构建全球首个‘以巨型望远镜为中心、中型望远镜环绕’的混合口径射电干涉阵列。”姜鹏说。目前，4台实验阵样机已启动建设，其中2台建成并与FAST完成联合观测，捕捉到清晰干涉条纹，验证了二期工程核心技术的可行性与稳定性。
这一升级方案既保留500米望远镜的超高灵敏度，又通过分布式阵列补齐分辨率的短板。姜鹏用一个形象的比喻来描述这次升级：“如果将‘看得清’的程度比作一张画面，FAST过去拍出的画面像是用‘粗头铅笔’画的，升级完成后则像高分辨率‘数码相机’拍出的画面。”
升级完成后，FAST阵列的观测分辨率将比现有FAST单口径提升约200倍，综合灵敏度达到现有水平的约2倍，将有力支撑破解哈勃常数危机、重子缺失问题等天体物理核心谜题。
“过去，我们更多是在已知方向上深耕细作，努力把研究做得更深、更透、更好。FAST二期建成后，随着灵敏度和分辨率进一步提升，我们希望能够提出新问题、开辟新领域、引领新方向，让中国科学家成为新方向的开启者和引领者。”韩占文对此充满期待。
十度春秋，天眼未倦；星河无尽，求索常新。伫立在大窝凼群山之间的银色巨眼，已把脉冲星、中性氢与快速射电暴刻进中国天文的坐标。未来，FAST必将把远方看得更清，把未知问得更深，朝着“出大成果”的目标继续奋进。
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