中国天眼与南仁东的故事

最新公布的数据，被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜（FAST）迄今已经发现了900余颗新脉冲星，其中包括120余颗双星脉冲星、170余颗毫秒脉冲星、80颗暗弱的偶发脉冲星，极大拓展了人类观察宇宙视野的极限。

作为我国独立研制的射电望远镜，“中国天眼”是世界上最大、最灵敏的单口径球面射电望远镜。“中国天眼”有何神奇之处，22年的建设历程中又有着哪些故事？

近日，由广州市科学技术局主办，广东科学中心、羊城晚报社联合承办的珠江科学大讲堂第121讲，特意邀请了中国科学院国家天文台FAST运行和发展中心研究员、博士生导师姚蕊为大讲堂的粉丝们作《中国天眼与南仁东》的科普讲座。

为何要建？为了更好地观察宇宙

可能你听说过中国天眼，也知道它英文简写是“FAST”，但是恐怕能将中国天眼的全称“500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）”说准确的人并不多。

虽然被称为“FAST”，但是它的建造过程并不“快”，从1994年提出到2016年建成,整整花了22年。

那我国为什么要建中国天眼？

姚蕊介绍说，我们肉眼能够观察到的世界，是由于可见光的缘故。但是宇宙中很多物质并不能靠肉眼观察到，而是需要通过不可见光频段去进行观测，而在地球上特别适合进行观测的频段就是射电频段。射电频段不会受气候的影响，可以提供很好的窗口去观察宇宙，而且它的频段范围也很广。

姚蕊进一步介绍说，射电天文学是一个非常年轻的学科。1932年，卡尔·央斯基无意间用雷达天线观测的时候接收到了来自宇宙天体的信号，从那时起，射电天文学就诞生了。

“射电天文是一门观测的科学。有了射电望远镜，我们就可以通过天文的观测数据，去支撑天文理论。”

而射电望远镜的原理也非常简单：当天体发出信号后，通过抛面形的反射面板将信号进行汇聚，汇聚之后变成电信号，随后再对电信号进行处理就得到了天文信号。

如何建设？柔性网索结构实现反射面变位

姚蕊还介绍说，在20世纪90年代，中国已有的射电望远镜最大直径仅有25米，而美国的Arecibo射电望远镜经过扩建后直径达到了350米。而直径越大，射电望远镜的灵敏度则越高，灵敏度直接决定了能“看到”多暗的信号。因此，如果我们想看到别人看不到的信号，就要建直径更大的射电望远镜。

但是说起来容易做起来难。

姚蕊说，虽然Arecibo的直径已经很大，但是有两个致命的缺陷：一是它是一个不可动球面反射面，意味着会损失很多信号；此外，在其上方有个用于接收信号的球形馈源舱，但是Arceibo的馈源舱只能在支撑的三角框架内小范围运行，限制了其观察的天区角度。

因此，南仁东等科学家设计了在不使用500米口径内全部望远镜的前提条件下，一个可将球面变形成抛物面的方案，使之可以得到300米口径的抛物面天线，由于是抛物面，因此灵敏度将会是球面Arecibo的三倍。

在实施上，中国天眼使用了柔性索网的结构，如同一个网兜一样可以拉着望远镜进行变位，并保证其变位幅度在半米之内。

在中国天眼的选址上也很有讲究。姚蕊说，在地形条件上，最好本身就像一口锅的形状，这样建设的成本就会大大降低，而且周围要没有任何电子产品的干扰。

最终，团队确定了贵州黔南州平塘的喀斯特地貌地区。对此，姚蕊介绍说，喀斯特地貌下有地下暗流，水容易排出，不会出现积水问题。而且当地虽然属于喀斯特地貌，但是地形结构上比较坚固，而且当地的气候条件也很适合。

此外，为了让馈源接收机在距离140米的高空，在200米范围内做精度达到10毫米的精确运动，我国的科学家们依然选择使用了柔性技术——采用了柔性并联机器人。通过柔索、钢索或者其他的索来实现并联机器人的功能并确保高精度，实现了馈源接收机的高精度高空运动。

姚蕊说，建成后的FAST核心任务是接收来自宇宙的信号，其覆盖的频段在70兆到3G赫兹之间，目前一共有7套接收系统，根据任务来进行更换。而最常用的6号接收机是19波束接收机，也就是19个小喇叭同时接收信号。目前看到的900多颗新脉冲星基本上都是由6号机观测到的。

“中国天眼”的主要发起者和奠基人、FAST工程首席科学家兼总工程师南仁东：

淡泊名利非常善良

谈到中国天眼，不能不谈到“中国天眼”的主要发起者和奠基人、FAST工程首席科学家兼总工程师南仁东。但是可惜的是，在“中国天眼”建成后的第二年，南仁东就因病去世。

姚蕊说，1994年，南仁东放弃了国外的高薪职位回到国内，立志要为中国建设自己的射电望远镜。

“一开始尝试和国外进行合作，但是并不顺利。后来南老师就提出自己干。”姚蕊回忆说，南仁东是一个淡泊名利而且生活极简的人，那时候经常看到他仅仅靠着几块饼干和一罐可乐就在办公室里待上一天。

“最神奇的是，南老师能够做到秒回邮件。因为他是项目的总工程师，所以每天要处理大量的邮件，他也需要实时了解项目的进展，所以他看邮件的速度很快，而且回复也很快。”

不仅如此，南仁东在同事们的眼中还是一个很善良的人。姚蕊说，南仁东经常会关心团队中的年轻人，看看他们有没有遇到什么困难。现场施工期间，闲不下来的南仁东，还经常回到建设工人们的宿舍里去聊天，了解工人们的生活情况。

“我们很幸运，因为南老师来到了贵州，通过参与中国天眼建设获得了很多的荣誉。20多年过去，当年的小伙子小姑娘，如今也都已经四五十岁。这个团队就像一个大家庭一样，一直没有离开。”姚蕊动情地说道。