“天眼”FAST調(diào)試紀(jì)實(shí)：白天摳精度 晚上試觀測(cè)

與脈沖星有關(guān)的中國(guó)故事

“天眼”FAST調(diào)試與試觀測(cè)工作紀(jì)實(shí)

事情和想象的并不一樣。

“今天晚上從9點(diǎn)55分開始觀測(cè)，持續(xù)到明天早上8點(diǎn)30分。” 記者終于爭(zhēng)取到進(jìn)入FAST基地總控制室體驗(yàn)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的機(jī)會(huì)，決定瞪大眼睛熬一整夜。

500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST之上的星空。FAST攝影團(tuán)隊(duì)提供

前不久，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)剛宣布了一個(gè)喜訊——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)首次發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星，再次激發(fā)了大家對(duì)天文的熱情，于是中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者前往貴州，揭秘發(fā)現(xiàn)脈沖星背后的故事。

但這個(gè)100平方米左右的總控制室太讓人意外了——這里沒(méi)有嚴(yán)陣以待穿著統(tǒng)一制服的工作人員，沒(méi)有會(huì)變出奇異圖形或復(fù)雜代碼同時(shí)還閃著各種不同顏色光的大屏幕，沒(méi)有緊張的口令，沒(méi)有急促的腳步聲，也沒(méi)有擊掌和歡呼聲……只有一排電腦安靜地端坐在桌子上，和一個(gè)同樣安靜地端坐在電腦前的年輕小伙子。

“你的同事還沒(méi)來(lái)嗎？”記者試探著問(wèn)。

“他們輸入完觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)走了。我一會(huì)兒寫完總結(jié)也走了。” 小伙子叫李志恒，操作筆記本電腦，身穿白T恤衫和牛仔褲，是FAST調(diào)試組的一名工程師。

9點(diǎn)55分到了。從遙遠(yuǎn)的太空傳來(lái)的電磁波無(wú)聲無(wú)息地落在群山環(huán)抱的大窩凼里，然后轉(zhuǎn)換為信號(hào)靜謐地流淌進(jìn)計(jì)算機(jī)集群，計(jì)算機(jī)沉默地跑著數(shù)據(jù)，憑借調(diào)試人員設(shè)計(jì)的程序努力辨別脈沖星信號(hào)。

原來(lái)，那些驚天動(dòng)地的新發(fā)現(xiàn)誕生得這么安靜。

與脈沖星有關(guān)的中國(guó)故事，就從這個(gè)萬(wàn)籟俱寂的地方開始。

兩位學(xué)者之爭(zhēng)論

古今中外，總有一些人想弄明白這幾件事：我們從哪兒來(lái)？宇宙有多大？最小的粒子有多??？

在貴州的深山里，就有這么一群人。

寫完工作總結(jié)的李志恒打開一款名為Stellarium的天象模擬軟件，展示出一片效果逼真的太空。“我們的工作有點(diǎn)像淘金。” 他指著銀河系的繁星對(duì)記者說(shuō)。

目前全球經(jīng)認(rèn)證的脈沖星共有2600多顆，它們可以成為人們研究“最小粒子”的實(shí)驗(yàn)室、幫忙探索宇宙到底有沒(méi)有邊界等。這種能對(duì)人類認(rèn)知宇宙產(chǎn)生巨大幫助的天體就像金子一樣稀有和珍貴。

只是，在2016年FAST落成啟用之前，這項(xiàng)為人類天文事業(yè)“淘金”的工作中國(guó)還沒(méi)有成為主力。為此，F(xiàn)AST的總工程師南仁東生前說(shuō)：“別人都有大射電望遠(yuǎn)鏡，我們沒(méi)有，我挺想試一試。”

20世紀(jì)90年代初，在國(guó)家天文臺(tái)工作的南仁東最初將中國(guó)的大射電望遠(yuǎn)鏡夢(mèng)寄托在了平方公里陣列望遠(yuǎn)鏡SKA身上。那是一項(xiàng)大型國(guó)際科研合作項(xiàng)目，其技術(shù)路線是將上千個(gè)反射面天線和100萬(wàn)個(gè)低頻天線組成一個(gè)超過(guò)100萬(wàn)平方米的接收區(qū)域，收集來(lái)自宇宙的電磁波信號(hào)。

當(dāng)時(shí)在國(guó)際射電天文圈里有兩張活躍的中國(guó)面孔，一個(gè)是南仁東，另一個(gè)是他的師弟，后來(lái)成為FAST工程副經(jīng)理的彭勃。他倆輪流飛往國(guó)外參加研討，執(zhí)著地想將SKA的建設(shè)引入中國(guó)，別人笑稱彭勃是“SKA獨(dú)立大隊(duì)”、南仁東是“SKA獨(dú)立支撐”。

但有天這兩個(gè)互為支柱的人吵起來(lái)了。

這條路越往前走南仁東越覺(jué)得走不通，他開始反對(duì)在中國(guó)建SKA。“把SKA弄過(guò)來(lái)，弄死你我，都弄不成！” 他跟彭勃說(shuō)，南仁東的學(xué)術(shù)風(fēng)格以“謹(jǐn)慎保守”著稱。

“先弄過(guò)來(lái)！弄死你我，還有后來(lái)人！” 彭勃和南仁東正好相反，他外號(hào)叫“彭大將軍”，出了名的敢想敢說(shuō)敢干。

而后經(jīng)過(guò)多次爭(zhēng)論和多方論證，南仁東和彭勃的同門師兄，天文學(xué)家吳盛殷計(jì)算出，在中國(guó)建設(shè)一個(gè)約500米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡最合適，既能超越已有設(shè)備，又現(xiàn)實(shí)可行。大家便統(tǒng)一想法，將SKA的夢(mèng)想，嫁接到現(xiàn)如今的FAST身上。

于是一群對(duì)探索終極問(wèn)題有熱忱的人開始創(chuàng)業(yè)。

為了解決望遠(yuǎn)鏡的支撐問(wèn)題，他們需要找到一個(gè)天然的“大坑”，讓望遠(yuǎn)鏡像一口鍋一樣“坐”在里面；為了解決電磁波信號(hào)接收機(jī)，即饋源艙的移動(dòng)問(wèn)題，他們需要設(shè)計(jì)一個(gè)可靠又省錢的機(jī)械結(jié)構(gòu)；為了讓望遠(yuǎn)鏡能夠在最大范圍內(nèi)靈活追蹤天上的目標(biāo)，他們需要望遠(yuǎn)鏡反射面能動(dòng)——正是這些挑戰(zhàn)，逼出了FAST的三大技術(shù)創(chuàng)新。

夢(mèng)想裹挾著創(chuàng)新的風(fēng)險(xiǎn)一步一步把時(shí)間的坐標(biāo)推到今天。他們成功了，F(xiàn)AST成為世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡。

不過(guò)FAST工程團(tuán)隊(duì)名單上前三位中，南仁東和吳盛殷已去世，當(dāng)年算得上是年輕人的彭勃也戴上了老花鏡。

彭勃記得他早年作為留學(xué)生代表接受德國(guó)電視節(jié)目采訪時(shí)說(shuō)：“中國(guó)也要在望遠(yuǎn)鏡靈敏度發(fā)展曲線坐標(biāo)圖里點(diǎn)個(gè)點(diǎn)！” 朋友聽了這話私下跟他說(shuō)：“你敢在德國(guó)吹牛。要點(diǎn)個(gè)點(diǎn)，就必須做第一，當(dāng)世界老大。”

“當(dāng)老大就當(dāng)老大！” 他回答說(shuō)。從FAST的想法成形，到今天成為全球最靈敏的宇宙“淘金”設(shè)備，過(guò)去了20年，盡管時(shí)間長(zhǎng)了些，但彭勃并沒(méi)有吹牛。

“那個(gè)造望遠(yuǎn)鏡的過(guò)程就像懷孕。” 準(zhǔn)備收工的李志恒告訴記者，他回頭看了一眼總控室的監(jiān)測(cè)屏幕，接著說(shuō)：“我們現(xiàn)在調(diào)試的過(guò)程，相當(dāng)于要把這個(gè)孩子養(yǎng)育成才。”

時(shí)間來(lái)到2018年，更年輕的人們繼續(xù)探尋終極問(wèn)題的答案。

無(wú)先例可循

FAST調(diào)試組正式成立于2017年4月，成員數(shù)10人，80后岳友嶺是調(diào)試組的負(fù)責(zé)人之一。調(diào)試組成員大多是FAST團(tuán)隊(duì)中的第二代和第三代人，也是現(xiàn)在的中堅(jiān)力量。

當(dāng)年FAST令人驕傲的三項(xiàng)自主創(chuàng)新延伸至今，便意味著調(diào)試工作在國(guó)際上“無(wú)先例可循”。這些平均年齡30多歲的科學(xué)家和工程師，正小心翼翼地為射電天文觀測(cè)開辟一種新的、中國(guó)的解決方案。

“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，F(xiàn)AST相當(dāng)于人類感官的延伸。”總控室里的計(jì)算機(jī)集群嗡嗡作響，晚上11點(diǎn)多，李志恒繼續(xù)搜腸刮肚地打比方。

我們的感官無(wú)法識(shí)別和處理宇宙中的天體傳來(lái)的電磁波信號(hào)，F(xiàn)AST的運(yùn)行系統(tǒng)就充當(dāng)了媒介的角色，它將信號(hào)收集、處理、再翻譯成人類能理解的形式。

但中間這個(gè)轉(zhuǎn)換的過(guò)程非常復(fù)雜。拿觀測(cè)脈沖星來(lái)說(shuō)，天體呈周期性發(fā)射的微弱的電磁波射向地球，有一部分落在FAST的反射面上，反射面將這種電信號(hào)匯聚到饋源艙接收機(jī)處，接收機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)光纜將光信號(hào)傳回總控室，再把光信號(hào)轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)集群就根據(jù)事先設(shè)定好的程序?qū)⑦@些數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存、計(jì)算，最終結(jié)合科學(xué)家的分析，識(shí)別出能夠代表脈沖星的一串特殊的信息。

由于FAST的技術(shù)路線新穎，以上每?jī)蓚€(gè)逗號(hào)之間，都有難以計(jì)數(shù)的問(wèn)題等著調(diào)試人員去解決。

岳友嶺告訴中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者：“截至去年年底，望遠(yuǎn)鏡的功能性調(diào)試任務(wù)都已經(jīng)完成，此后一直在調(diào)試性能。望遠(yuǎn)鏡性能的提升，就是精度的提高。”

所以他們現(xiàn)在的日常工作是白天“摳精度”，晚上試觀測(cè)。

遠(yuǎn)看FAST就像一口直徑500米的大鍋，“鍋沿兒”上佇立著6個(gè)百米高塔，每個(gè)塔伸出一條鋼索，6根鋼索提著一個(gè)形狀不規(guī)則的白色艙室移動(dòng)，艙室的下方是由4450塊三角形面板拼成的“鍋面”，而“鍋底”還有數(shù)千根鋼索織成的索網(wǎng)，用來(lái)支撐這口“大鍋”和牽引“鍋面”運(yùn)動(dòng)。

讓這個(gè)龐大的裝置達(dá)到豪米級(jí)精度殊為不易。“摳精度”的過(guò)程，可謂險(xiǎn)、難、繁、重。大家經(jīng)?？ㄔ谀硞€(gè)問(wèn)題上，“一卡就是一兩個(gè)月”。

例如，F(xiàn)AST主動(dòng)反射面的面板與面板之間有2225個(gè)節(jié)點(diǎn)，柔性鋼索拉動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置運(yùn)動(dòng)以帶動(dòng)面板運(yùn)動(dòng)，形成不同的拋物面，以達(dá)到反射面能夠“跟蹤”的效果。每根鋼索靠插在大窩凼草叢中的液壓桿促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。工程師張志偉就管理著這2225個(gè)促動(dòng)器。調(diào)試以來(lái)，“通信延遲”、下雨、大霧、鼠蟻?zhàn)鱽y等狀況頻頻發(fā)生，為了讓反射面面板“聽話”，張志偉他們?cè)谝荒甓嗟臅r(shí)間里設(shè)計(jì)出了上千套參數(shù)，以應(yīng)對(duì)各種反射面變形需求?，F(xiàn)在反射面節(jié)點(diǎn)的理論位置和實(shí)際位置誤差被控制在了5毫米以內(nèi)。

500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡FAST反射面上的測(cè)量靶標(biāo)。FAST攝影團(tuán)隊(duì)提供

再如，在精度達(dá)標(biāo)的情況下，F(xiàn)AST采集到的數(shù)據(jù)就成了科學(xué)家可靠的分析資料，他們和他們?cè)O(shè)計(jì)的算法一起，在海量數(shù)據(jù)里搜索脈沖星的身影。但難就難在，盡管世人已知脈沖星可以發(fā)出周期性信號(hào)，可并不知道這個(gè)周期到底是多少，“可能是0.01秒、0.011秒、0.1秒……” 岳友嶺說(shuō)，因此科學(xué)家們需要不停地改進(jìn)算法，去排查各種可能的周期，工作量著實(shí)不小。

岳友嶺認(rèn)為，F(xiàn)AST調(diào)試進(jìn)度很難量化，盡管試觀測(cè)效果已經(jīng)超越了現(xiàn)有的其他射電望遠(yuǎn)鏡，但要達(dá)到“好用”，還要解決數(shù)不清的問(wèn)題。

“我們不怕折磨，我們能找出問(wèn)題出在哪兒，就是需要想辦法解決。”調(diào)試中遇到的“麻煩”在岳友嶺眼里，都可以用“有趣”來(lái)形容。

岳友嶺是個(gè)愛動(dòng)手的天文專業(yè)博士后，38歲就頭發(fā)花白，但仍有一雙18歲的眼睛，里面寫著理想和激情。他不覺(jué)得自己苦，“立下汗馬功勞的是那些年輕人”。

我們也挺偉大的

在調(diào)試工作中，岳友嶺的角色是站在望遠(yuǎn)鏡硬件調(diào)試和搜索脈沖星算法的銜接處，負(fù)責(zé)確保信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤地從望遠(yuǎn)鏡流入到算法中。

現(xiàn)在岳友嶺隔三岔五從北京跑一次貴州，打扮得像個(gè)風(fēng)塵仆仆的背包客。他就屬于那種樂(lè)于追求人類終極問(wèn)題的人。

他可以耐著性子從FAST講到脈沖星講到引力波再講到黑洞，繞一圈再講回FAST，連續(xù)講兩個(gè)小時(shí)，只是一談到自己就支吾不清。你要問(wèn)他為什么這么喜歡留在FAST孜孜不倦地解決各種“麻煩”，他只能拍著大腿幸福地重復(fù)三遍：“我覺(jué)得這個(gè)事情特別有意思……就是特別有趣！就是……就是……就是你小時(shí)候?qū)W過(guò)的那些事，現(xiàn)在終于可以自己親手做了！”

南仁東和彭勃把自己的人生傾注在FAST上20年，岳友嶺和張志偉他們也已經(jīng)干了快10年，在這些“牛人”面前，李志恒覺(jué)得自己就像“小螞蟻”一樣微不足道。但他在這項(xiàng)舉世矚目的大工程里，也找到了自己的價(jià)值感。

和李志恒在總控室里的談話一直進(jìn)行到夜里12點(diǎn)，話題從“談技術(shù)”轉(zhuǎn)移到“談人生”和“談理想”。

“為什么說(shuō)自己像螞蟻？” 記者問(wèn)。

“我們做的其實(shí)都是很小、很基本的事情。” FAST團(tuán)隊(duì)里像李志恒一樣做基礎(chǔ)工作的人很多，他覺(jué)得：“大家就像螞蟻搬家一樣，舉起塊石頭都不知道是誰(shuí)出的力，但少了誰(shuí)也不行。”

趁著喘氣的空當(dāng)，他把寫好的工作總結(jié)放在郵件里發(fā)給了上級(jí)。

“發(fā)現(xiàn)脈沖星的時(shí)候你興奮嗎？” 記者問(wèn)。

“興奮？是遺憾吧！” 這是他的第一反應(yīng)。

“我們探測(cè)到第一顆脈沖星候選體時(shí)沒(méi)有立刻跟南老師說(shuō)，等到被認(rèn)證了才告訴他，發(fā)出的那封郵件他再也沒(méi)回過(guò)。” 李志恒說(shuō)，“南老師知道這個(gè)孩子會(huì)走了，會(huì)跑了，但沒(méi)親眼看到他拿獎(jiǎng)。”

2017年10月10日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)宣布FAST取得首批成果——其探測(cè)到的脈沖星候選體中有6顆已通過(guò)國(guó)際認(rèn)證，這是中國(guó)射電望遠(yuǎn)鏡首次新發(fā)現(xiàn)脈沖星。而南仁東逝世于9月15日。

“不過(guò)，也還是會(huì)高興。” 李志恒又想了想說(shuō)。

宇宙之浩瀚難以想象。可觀測(cè)的宇宙中含有1000億個(gè)像銀河系這樣的星系，而人類所在的銀河系中含有1000億個(gè)像太陽(yáng)一樣的恒星。可想而知，這些天體發(fā)出的電磁波穿越遙遠(yuǎn)的時(shí)空傳到地球上時(shí)已十分微弱。射電天文事業(yè)從上世紀(jì)60年代發(fā)展至今，接收到的電磁波都加在一起轉(zhuǎn)換成熱量，也燒不熱一杯咖啡。

李志恒覺(jué)得，盡管人類的感官?zèng)]辦法直接感知宇宙中如此微弱的信號(hào)，“卻能憑著自己的一小坨腦花”，想出各種辦法去探知宇宙里發(fā)生的事情，“有時(shí)候想想，我們也挺偉大的”！

第二天下午，李志恒所說(shuō)的“螞蟻”工程師陸續(xù)聚到總控室，做當(dāng)天的觀測(cè)準(zhǔn)備工作，繼續(xù)以“螞蟻搬家”的方式，為射電天文科學(xué)的發(fā)展探索中國(guó)解決方案。

目前，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)的脈沖星已超過(guò)15顆，接下來(lái)，它將從脈沖星“專業(yè)戶”轉(zhuǎn)型成多棲“觀天利器”。

最近，“天眼”將“眼珠”升級(jí)，安裝了新的饋源——目前世界上唯一一臺(tái)十九波束接收機(jī)。這個(gè)新裝備與原來(lái)的單波束接收機(jī)相比，不僅可以將FAST的巡天效率提高數(shù)倍，還能夠?qū)崿F(xiàn)多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)觀測(cè)。

這意味著，未來(lái)不僅在脈沖星，而且在中性氫等天文觀測(cè)成果中，會(huì)產(chǎn)生更多的中國(guó)故事。（記者 張茜）