“天眼”FAST調(diào)試紀(jì)實：白天摳精度 晚上試觀測

與脈沖星有關(guān)的中國故事

“天眼”FAST調(diào)試與試觀測工作紀(jì)實

事情和想象的并不一樣。

“今天晚上從9點55分開始觀測，持續(xù)到明天早上8點30分。” 記者終于爭取到進入FAST基地總控制室體驗望遠鏡觀測的機會，決定瞪大眼睛熬一整夜。

500米口徑球面射電望遠鏡FAST之上的星空。FAST攝影團隊提供

前不久，中國科學(xué)院國家天文臺剛宣布了一個喜訊——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)首次發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星，再次激發(fā)了大家對天文的熱情，于是中國青年報·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100平方米左右的總控制室太讓人意外了——這里沒有嚴(yán)陣以待穿著統(tǒng)一制服的工作人員，沒有會變出奇異圖形或復(fù)雜代碼同時還閃著各種不同顏色光的大屏幕，沒有緊張的口令，沒有急促的腳步聲，也沒有擊掌和歡呼聲……只有一排電腦安靜地端坐在桌子上，和一個同樣安靜地端坐在電腦前的年輕小伙子。

“你的同事還沒來嗎？”記者試探著問。

“他們輸入完觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)走了。我一會兒寫完總結(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55分到了。從遙遠的太空傳來的電磁波無聲無息地落在群山環(huán)抱的大窩凼里，然后轉(zhuǎn)換為信號靜謐地流淌進計算機集群，計算機沉默地跑著數(shù)據(jù)，憑借調(diào)試人員設(shè)計的程序努力辨別脈沖星信號。

原來，那些驚天動地的新發(fā)現(xiàn)誕生得這么安靜。

與脈沖星有關(guān)的中國故事，就從這個萬籟俱寂的地方開始。

兩位學(xué)者之爭論

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

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。“我們的工作有點像淘金。” 他指著銀河系的繁星對記者說。

目前全球經(jīng)認證的脈沖星共有2600多顆，它們可以成為人們研究“最小粒子”的實驗室、幫忙探索宇宙到底有沒有邊界等。這種能對人類認知宇宙產(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，這項為人類天文事業(yè)“淘金”的工作中國還沒有成為主力。為此，F(xiàn)AST的總工程師南仁東生前說：“別人都有大射電望遠鏡，我們沒有，我挺想試一試。”

20世紀(jì)90年代初，在國家天文臺工作的南仁東最初將中國的大射電望遠鏡夢寄托在了平方公里陣列望遠鏡SKA身上。那是一項大型國際科研合作項目，其技術(shù)路線是將上千個反射面天線和100萬個低頻天線組成一個超過100萬平方米的接收區(qū)域，收集來自宇宙的電磁波信號。

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

但有天這兩個互為支柱的人吵起來了。

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

“先弄過來！弄死你我，還有后來人！” 彭勃和南仁東正好相反，他外號叫“彭大將軍”，出了名的敢想敢說敢干。

而后經(jīng)過多次爭論和多方論證，南仁東和彭勃的同門師兄，天文學(xué)家吳盛殷計算出，在中國建設(shè)一個約500米口徑的射電望遠鏡最合適，既能超越已有設(shè)備，又現(xiàn)實可行。大家便統(tǒng)一想法，將SKA的夢想，嫁接到現(xiàn)如今的FAST身上。

于是一群對探索終極問題有熱忱的人開始創(chuàng)業(yè)。

為了解決望遠鏡的支撐問題，他們需要找到一個天然的“大坑”，讓望遠鏡像一口鍋一樣“坐”在里面；為了解決電磁波信號接收機，即饋源艙的移動問題，他們需要設(shè)計一個可靠又省錢的機械結(jié)構(gòu)；為了讓望遠鏡能夠在最大范圍內(nèi)靈活追蹤天上的目標(biāo)，他們需要望遠鏡反射面能動——正是這些挑戰(zhàn)，逼出了FAST的三大技術(shù)創(chuàng)新。

夢想裹挾著創(chuàng)新的風(fēng)險一步一步把時間的坐標(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鏡。

不過FAST工程團隊名單上前三位中，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)生代表接受德國電視節(jié)目采訪時說：“中國也要在望遠鏡靈敏度發(fā)展曲線坐標(biāo)圖里點個點！” 朋友聽了這話私下跟他說：“你敢在德國吹牛。要點個點，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。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，過去了20年，盡管時間長了些，但彭勃并沒有吹牛。

“那個造望遠鏡的過程就像懷孕。” 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)測屏幕，接著說：“我們現(xiàn)在調(diào)試的過程，相當(dāng)于要把這個孩子養(yǎng)育成才。”

時間來到2018年，更年輕的人們繼續(xù)探尋終極問題的答案。

無先例可循

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)試組的負責(zé)人之一。調(diào)試組成員大多是FAST團隊中的第二代和第三代人，也是現(xiàn)在的中堅力量。

當(dāng)年FAST令人驕傲的三項自主創(chuàng)新延伸至今，便意味著調(diào)試工作在國際上“無先例可循”。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開辟一種新的、中國的解決方案。

“簡單來說，F(xiàn)AST相當(dāng)于人類感官的延伸。”總控室里的計算機集群嗡嗡作響，晚上11點多，李志恒繼續(xù)搜腸刮肚地打比方。

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

但中間這個轉(zhuǎn)換的過程非常復(fù)雜。拿觀測脈沖星來說，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匯聚到饋源艙接收機處，接收機將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纜將光信號傳回總控室，再把光信號轉(zhuǎn)換回電信號，進而轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，計算機集群就根據(jù)事先設(shè)定好的程序?qū)⑦@些數(shù)字信號儲存、計算，最終結(jié)合科學(xué)家的分析，識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，以上每兩個逗號之間，都有難以計數(shù)的問題等著調(diào)試人員去解決。

岳友嶺告訴中國青年報·中青在線記者：“截至去年年底，望遠鏡的功能性調(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。

遠看FAST就像一口直徑500米的大鍋，“鍋沿兒”上佇立著6個百米高塔，每個塔伸出一條鋼索，6根鋼索提著一個形狀不規(guī)則的白色艙室移動，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)，用來支撐這口“大鍋”和牽引“鍋面”運動。

讓這個龐大的裝置達到豪米級精度殊為不易。“摳精度”的過程，可謂險、難、繁、重。大家經(jīng)?？ㄔ谀硞€問題上，“一卡就是一兩個月”。

例如，F(xiàn)AST主動反射面的面板與面板之間有2225個節(jié)點，柔性鋼索拉動節(jié)點位置運動以帶動面板運動，形成不同的拋物面，以達到反射面能夠“跟蹤”的效果。每根鋼索靠插在大窩凼草叢中的液壓桿促動器驅(qū)動。工程師張志偉就管理著這2225個促動器。調(diào)試以來，“通信延遲”、下雨、大霧、鼠蟻作亂等狀況頻頻發(fā)生，為了讓反射面面板“聽話”，張志偉他們在一年多的時間里設(shè)計出了上千套參數(shù)，以應(yīng)對各種反射面變形需求。現(xiàn)在反射面節(jié)點的理論位置和實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鏡FAST反射面上的測量靶標(biāo)。FAST攝影團隊提供

再如，在精度達標(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，他們和他們設(shè)計的算法一起，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，可并不知道這個周期到底是多少，“可能是0.01秒、0.011秒、0.1秒……” 岳友嶺說，因此科學(xué)家們需要不停地改進算法，去排查各種可能的周期，工作量著實不小。

岳友嶺認為，F(xiàn)AST調(diào)試進度很難量化，盡管試觀測效果已經(jīng)超越了現(xiàn)有的其他射電望遠鏡，但要達到“好用”，還要解決數(shù)不清的問題。

“我們不怕折磨，我們能找出問題出在哪兒，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”來形容。

岳友嶺是個愛動手的天文專業(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鏡硬件調(diào)試和搜索脈沖星算法的銜接處，負責(zé)確保信號準(zhǔn)確無誤地從望遠鏡流入到算法中。

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

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)講兩個小時，只是一談到自己就支吾不清。你要問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：“我覺得這個事情特別有意思……就是特別有趣！就是……就是……就是你小時候?qū)W過的那些事，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，李志恒覺得自己就像“小螞蟻”一樣微不足道。但他在這項舉世矚目的大工程里，也找到了自己的價值感。

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

“為什么說自己像螞蟻？” 記者問。

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

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。

“發(fā)現(xiàn)脈沖星的時候你興奮嗎？” 記者問。

“興奮？是遺憾吧！” 這是他的第一反應(yīng)。

“我們探測到第一顆脈沖星候選體時沒有立刻跟南老師說，等到被認證了才告訴他，發(fā)出的那封郵件他再也沒回過。” 李志恒說，“南老師知道這個孩子會走了，會跑了，但沒親眼看到他拿獎。”

2017年10月10日，中國科學(xué)院國家天文臺宣布FAST取得首批成果——其探測到的脈沖星候選體中有6顆已通過國際認證，這是中國射電望遠鏡首次新發(fā)現(xiàn)脈沖星。而南仁東逝世于9月15日。

“不過，也還是會高興。” 李志恒又想了想說。

宇宙之浩瀚難以想象?？捎^測的宇宙中含有1000億個像銀河系這樣的星系，而人類所在的銀河系中含有1000億個像太陽一樣的恒星。可想而知，這些天體發(fā)出的電磁波穿越遙遠的時空傳到地球上時已十分微弱。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。

李志恒覺得，盡管人類的感官沒辦法直接感知宇宙中如此微弱的信號，“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，“有時候想想，我們也挺偉大的”！

第二天下午，李志恒所說的“螞蟻”工程師陸續(xù)聚到總控室，做當(dāng)天的觀測準(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)展探索中國解決方案。

目前，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)的脈沖星已超過15顆，接下來，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，安裝了新的饋源——目前世界上唯一一臺十九波束接收機。這個新裝備與原來的單波束接收機相比，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)同時觀測。

這意味著，未來不僅在脈沖星，而且在中性氫等天文觀測成果中，會產(chǎn)生更多的中國故事。（記者 張茜）