中國”天眼”還要調(diào)試兩三年 預(yù)計(jì)發(fā)現(xiàn)上千個脈沖星

（原標(biāo)題：專訪最牛“天眼”總工藝師王啟明：幾代人的心血 他的十七年）

王啟明

開篇語

中國科技日新月異，在不少領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先世界。廣州日報聚焦“前沿科技人”，講述科技成果背后的人物故事。

今天，我們專訪了貴州500米口徑射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）總工藝師王啟明和副總工程師李菂。

本版文字/廣州日報全媒體記者唐迎春

本版圖片/廣州日報全媒體記者廖雪明(署名除外)

王啟明領(lǐng)記者走上FAST圈梁。走上懸空的圈梁，感覺雙腳踩在“鍋沿”上。

世界上最聰明的設(shè)計(jì)

“白天太陽電磁波輻射強(qiáng)烈，晚上是最好的觀測時間。通過反射聚焦，把約七萬五千平方米面板上收到的信號聚焦到一個點(diǎn)上。”王啟明說，“你看，那是6根超過600米的鋼索，通過在6個塔上的滑輪拉起中間那個饋源艙?！?/span>

“傳統(tǒng)射電望遠(yuǎn)鏡，通過反射面接收宇宙平行光，超過100米口徑的，全世界只有兩個，一個是德國的，一個是美國的，口徑再大的話，當(dāng)反射面俯仰轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生變形，效率上不去。美國1961年建了一個300米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，球面固定，不能移動觀察方向，電磁波照在球面上，聚焦到一條線，把這條線上的信號聚集起來，再用計(jì)算機(jī)處理，難度大成本高。饋源艙懸掛系統(tǒng)就有2000多噸。”王啟明說，“如果用這種方式做500米口徑的望遠(yuǎn)鏡，重量受不了。我們設(shè)計(jì)成一個球面，相當(dāng)于把一個300米的‘碗’放在一個500米口徑的‘鍋’里，拋物面總是球里面移動。”

FAST這會兒正在“休息”。銀色的三角反射面板下，是密密匝匝的索網(wǎng)。

王啟明說，當(dāng)“天眼”睜眼看天時，牽引索網(wǎng)，前拉后移，調(diào)整三角反射面板，把這個方向的三角面板調(diào)成一個拋物面，不斷地改變觀察方向，改變拋物面。觀察的拋物面不同，焦點(diǎn)也在空中不停地移動。

“中間那個饋源艙系統(tǒng)就是捕捉焦點(diǎn)的。”王啟明示意記者看中間那個巨大的銀色“螺帽”——饋源艙。這顆大“螺帽”在回港狀態(tài)，體重30噸。

這是世界上最聰明的設(shè)計(jì)：世界上口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡，天文觀測時反射面不“搖頭”，而是由球面漸變成拋物面；空中的兩套并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)分毫不差地帶動接收機(jī)追蹤焦點(diǎn)，收集遙遠(yuǎn)宇宙的信息。

沒日沒夜的清華博士后

2000年5月，王啟明在清華大學(xué)做博士后。

清華大學(xué)與國家天文臺簽下合同：研究FAST艙內(nèi)并列機(jī)器人機(jī)構(gòu)。王啟明和另外一個老師接了這個課題，他打算把這個研究作為博士后課題。這么大尺度和特殊要求的空中機(jī)器人，很有挑戰(zhàn)，39歲的他覺得時不我待。

在清華大學(xué)，他與課題組的同事們用半年時間做出了一個1：15的模型；2001年3月，帶著這個模型參加了“863十五周年展”。

此后，他們不停地做試驗(yàn)，模擬各種繞動，整理實(shí)驗(yàn)報告，寫論文。經(jīng)常到晚上11點(diǎn)，大樓熄燈時他們才離開。

下了樓，王啟明還和同事到操場跑上幾圈，零點(diǎn)回到博士后公寓倒頭就睡，在清華的日子里，他幾乎夜夜如此。第二天早上，他又早早地起床去樓里，中午不休息，一直忙到晚上大樓熄燈。

博士后期間，國家天文臺的并聯(lián)機(jī)器人課題完成了驗(yàn)收。

2002年9月，王啟明被調(diào)到國家天文臺，并從此和FAST結(jié)緣，直到現(xiàn)在。

天坑、天眼渾然天成

順著周長1600米的圈梁通道往前走，細(xì)看鑲成大鍋的銀色反射面板，其實(shí)是有色差的，鋁合金面板的表面出廠前要特殊處理，生產(chǎn)批次不同，有的看起來黃一點(diǎn)，有的更白一些。

4450塊三角形面板，邊長約11米，厚度僅1毫米，可謂薄如蟬翼。面板之下，網(wǎng)格狀的索網(wǎng)清晰可見，如矩陣亦如蜂窩。

“索網(wǎng)結(jié)構(gòu)直徑500米，整個索網(wǎng)共用了6670根主索、2225個主索節(jié)點(diǎn)和相同數(shù)量的下拉索?！闭f到精確的數(shù)字，王啟明如數(shù)家珍，“長度11米的主索索段精度控制到1毫米以內(nèi)，主索節(jié)點(diǎn)的位置精度達(dá)到5毫米，索構(gòu)件拉伸疲勞應(yīng)力幅值不能低于500MPa，索網(wǎng)的總重量1300多噸?！?/span>

王啟明示意記者看面板下面的主索節(jié)點(diǎn)，“看到?jīng)]，圈梁旁邊的，嵌在水泥墩里的黃色液壓拉桿，每個節(jié)點(diǎn)下面，都有一根這樣的液壓調(diào)整桿，能前移后拉，調(diào)整每個點(diǎn)，調(diào)成各種拋物面?！?/span>

王啟明說，F(xiàn)AST的設(shè)計(jì)壽命是30年，拉索不停地拉來拉去，要具備高彈性、抗拉伸的特征，要求30年不變形、不老化、不斷裂，抗疲勞拉伸次數(shù)達(dá)到兩百萬次。

如今，面板上密布孔洞?！懊姘灞?，上面打孔，可以更透光，也減少了重量，面板現(xiàn)在的重量是1000多噸，如果不打孔，重量有2000多噸。打孔還可以透風(fēng)、透水。正在維修的六塊面板那里，你往下看，下面就是天坑的一角，可以看到樹、草、山洞、巖石?！蓖鯁⒚髡f，“大鍋”選址原本就是一個天坑，坑底有溶洞，有鐘乳石，地下有暗河。臺址開挖時，在洼地底部挖了一個3乘3米的隧道通向另外一個洼地，以便排水；圈梁立柱開挖時，往一個柱子的基礎(chǔ)里面灌水泥，怎么也灌不滿，后來下到柱子底部，發(fā)現(xiàn)側(cè)面有一個溶洞，有幾間房那么大。

王啟明記得，2016年7月3日，F(xiàn)AST裝完最后一塊反射面板。

如今，透光、透風(fēng)、透水的面板鑲成了一只完美的“大鍋”，“大鍋”下面，依舊草生草長，花開花落；“大鍋”四周的雨水，滲進(jìn)坑底巖縫，匯入縱橫交錯的暗河。天坑，天眼，渾然天成。

30米口徑望遠(yuǎn)鏡模型

2004年，王啟明所在的課題組想做一套30米口徑索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的射電望遠(yuǎn)鏡整體模型。

在國家天文臺密云觀測站，他們找了一塊空地，經(jīng)過一年的籌備后模型正式開建。他們挖了一個7.5米深的坑，搭起了一個5.5米高的圈梁，剛開始做了4個塔，后來改成6個塔，有472根主索，145個下拉索，和252個三角形面板構(gòu)成一個模型“大鍋”。

2005年的照片，王啟明曬得很黑，因?yàn)橐?jīng)常抬重物，他感到自己很壯實(shí)。

有時候，他要通宵做實(shí)驗(yàn)。

那些年，從國家天文臺到北京密云站，還沒有高鐵，坐通勤火車或汽車，至少要花三四個小時。

密云觀測站周邊的村子，地里的玉米黃了紅了，白樺樹變得光禿禿，冬盡春又來。

2007年FAST立項(xiàng)后，他們還在反復(fù)調(diào)試模型。

他們研制了多個類型反射面單元，五百多公斤的反射面板，肩扛手抬，或者用手拉葫蘆往上吊裝。

其他能扛得動的材料，都是自己扛。加上研究生，團(tuán)隊(duì)少至八九人，多則十二三人。拉索松弛實(shí)驗(yàn)做了無數(shù)次。促動器的試驗(yàn)樣機(jī)做了幾十臺，液壓的驅(qū)動、電動缸驅(qū)動、鋁的、鋼的……

各種試驗(yàn)樣機(jī)，各種驗(yàn)證，直到2012年，模型實(shí)驗(yàn)確認(rèn)FAST各項(xiàng)設(shè)計(jì)的可行性，王啟明和他的伙伴們才將他們的足跡逐漸從密云站轉(zhuǎn)移到貴州FAST現(xiàn)場。

精確無誤的動態(tài)測量

如何保證將反射面板調(diào)成了需要的拋物面？如何保證吊艙移到拋物面的焦點(diǎn)上？

王啟明說：“這就需要公里尺度的高精度動態(tài)測量，天眼鍋面上2225個反射棱鏡，通過多個激光全站儀來測量反射面板的實(shí)時位姿?！?/span>

他在記者的采訪本上邊畫圖邊解釋：三角面板的每一個角都有一個靶標(biāo)，激光打在靶標(biāo)上，確定靶標(biāo)的坐標(biāo)；確定天空觀察方向后，以這個方向?yàn)檩S，根據(jù)以軸為中心的拋物面，算出三角反射面每一個靶點(diǎn)的坐標(biāo)；把原測得的坐標(biāo)變?yōu)橐蓲佄锩娴淖鴺?biāo)，計(jì)算面板前后移動的距離，發(fā)送信息到面板下的液壓拉桿，拉桿根據(jù)指令移動，再測，再調(diào)整；激光測距儀的激光打到吊艙的靶標(biāo)上，電腦計(jì)算拋物面焦點(diǎn)位置，根據(jù)焦點(diǎn)的空間位置，吊艙位移，一直調(diào)到誤差小于5毫米。

地球在轉(zhuǎn)，跟著地球轉(zhuǎn)動，保證吊艙一直盯住天球上要觀察拋物面的焦點(diǎn)。

換一個觀察面，每間隔10分鐘到幾小時不等。

“上千臺電機(jī)，快速、動態(tài)、精準(zhǔn)測量和控制?！?王啟明說，這就是FAST。

200萬次不斷的拉索

2010年8月，王啟明遇到了極大的困難。

當(dāng)時定制了四種共12根拉索進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)做到幾萬次時，索就全部斷掉了，而FAST的要求是，拉索要能當(dāng)彈簧用，拉伸200萬次不斷裂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果太糟糕了，王啟明心急如焚。他找了國內(nèi)很多家做拉索的企業(yè)，但無一敢接。

年底，王啟明去廣西南寧開會，同行向他推薦柳州的一家公司——?dú)W維姆機(jī)械有限公司（OVM）。

柳州OVM公司的技術(shù)人員打來電話說：他們公司很重視這個項(xiàng)目，幾個月來，做了很多實(shí)驗(yàn)。

王啟明高興壞了。OVM作為一家國有企業(yè)，可以先期進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)費(fèi)的投入。2012年初，OVM做出了滿足FAST望遠(yuǎn)鏡需求的拉索。王啟明懸著的心，終于可以放下了。

“我一生最有精力的年華都在這里”

“凌空施工結(jié)圈梁……五百米圓，遙感萬里光?！蓖鯁⒚鹘M織的一次詩會上，他的同事朗誦道。

腳下圈梁的特殊設(shè)計(jì)，能保證它在任何溫差下，都不會因熱脹冷縮而變形。

凝望著這口“大鍋”，王啟明感慨萬千。從2000年接觸FAST到現(xiàn)在，是17年。從2011年3月25日FAST開工到2016年9月25日落成是2011天。

這里的每一寸地方，他曾無數(shù)次走過。從辦公樓到“鍋”底往返是7公里，走一次圈梁1.6公里。通常，他上午走“鍋”底，下午走圈梁，或者，上午從反射面板的這頭走到那頭，下午繼續(xù)走到鍋底巡查。

他記得多年前的一次同學(xué)聚會，老同學(xué)問：“貴州那口‘鍋’，到底建得怎么樣了？”

他笑笑說：“這口‘鍋’好大、好深。”

去年9月，F(xiàn)AST竣工后，同學(xué)們來看這口又大又深的“鍋”。在這之前，好多個春節(jié)，他都是最后一個離開現(xiàn)場。

曾經(jīng)，這里經(jīng)常有數(shù)百人在作業(yè)，大鍋“架”在洼地上，施工現(xiàn)場非常局促，施工人員、車輛及施工占用的場地經(jīng)常會遇到干涉，作為總工藝師，他要做無數(shù)協(xié)調(diào)，種種焦慮，如今，已化作平靜。

從39歲走到55歲，他一生最好的年華都在這里，這個世界矚目的工程上。

在很多場合，他感謝FAST給了他機(jī)會。

“這些年，一步一步，不知不覺也就這么走過來了?！蓖鯁⒚髡f，“FAST凝聚了幾代天文人的心血。”

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對話FAST副總工程師李菂

最?！疤煅邸彼拇竽繕?biāo) 同時巡天將開世界先河

李菂。（受訪者提供）

除了擔(dān)任FAST副總工程師，李菂還是國家天文臺射電天文研究部首席科學(xué)家、“千人計(jì)劃”專家。1米75的個頭，瘦削的臉，眼神特別專注，在鏡頭前，表情稍顯嚴(yán)肅。但在每周的學(xué)術(shù)咖啡組會上，他常咧嘴笑。

18歲，他走進(jìn)北大校園。30歲前，在康奈爾大學(xué)一直讀到天體物理及射電天文專業(yè)博士畢業(yè)。回國前，他在美國哈佛-史密松天體物理中心做天文學(xué)者、在美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、加州理工學(xué)院做研究員，在天體物理領(lǐng)域已有多個重要的發(fā)現(xiàn)：命名了中性氫窄線自吸收，成為目前測量分子云中氫原子豐度的唯一可靠辦法，也是測量星云演化時標(biāo)的主要工具。他還首次發(fā)現(xiàn)了太陽系外空間中的分子氧氣，離地球400光年。

長年做遠(yuǎn)程觀測，在工地，或者開國際、國內(nèi)電話會，他習(xí)慣了隨時隨地工作。

每天工作多長時間？

“挺長，具體說不上，這個職業(yè)的人都差不多?！彼f。

他一般都穿休閑裝，在工地，甚至穿拖鞋、背心。他習(xí)慣理平頭，頭發(fā)從2012年回國就白了，以他的年齡，頭發(fā)白得有點(diǎn)早。

李菂在FAST現(xiàn)場的辦公室剛剛啟用。一張沙發(fā)，兩張桌子，同事們養(yǎng)的一只黃白相間的貓，有時候會竄上書桌。墻上是到世界各地進(jìn)行觀測的照片。他喜歡FAST的夜景照：天眼四周，群山如黛；天眼之上，星漢璨爛。

究竟有沒有地外文明？

“太陽系外的行星非常多，類地行星也非常多，存在地外生命的條件，這個是可以肯定的。人類是不是唯一的？這個缺乏證據(jù)。”他說。

他重要的書都放在辦公室，家里小，兩個孩子各占一間房，他沒有屬于自己的書房。

閑暇時，他看王小波、馬爾克斯的書，最近尤其喜歡余秀華的文字，“天縱之才”，他說。

對話：FAST還要調(diào)試兩三年?預(yù)計(jì)發(fā)現(xiàn)上千個脈沖星

廣州日報：去年9月25日竣工以來，F(xiàn)AST的運(yùn)行情況怎樣？

李菂：世界大型望遠(yuǎn)鏡，沒有一個竣工就投入使用，最快也要兩年才能投入正式運(yùn)行。例如，澳大利亞的平方公里陣列探路者望遠(yuǎn)鏡（ASKAP），2012年6月，所有天線就位，舉行了竣工儀式；10月宣布正式開始運(yùn)行。一年之后的2013年10月，才獲得第一條譜線；2016年10月，有三分之一的天線調(diào)試完畢、可以協(xié)同工作，并開始了其早期科學(xué)計(jì)劃。所以依照國際慣例和大型地面設(shè)備的規(guī)律，F(xiàn)AST至少再需要兩到三年的緊張調(diào)試才可以出成果。

FAST的調(diào)試有大量等挑戰(zhàn)，比如，現(xiàn)場供電有特殊性，電的干凈程度要求特別高，高壓濾波器正在升級改造。

FAST建在天坑上面，水進(jìn)到巖縫里，產(chǎn)生壓力，會造成巖石破碎，形成滾石。施工前的勘探中，有詳細(xì)的危巖保護(hù)方案。?

預(yù)計(jì)發(fā)現(xiàn)上千個脈沖星

廣州日報：FAST是不是邊調(diào)試邊收集數(shù)據(jù)？FAST對脈沖星和中性氫的觀測目標(biāo)是什么？

李菂：是的。采集數(shù)據(jù)本身就是調(diào)試的一部分。我們觀測天空中的亮源，例如射電星系和脈沖星，標(biāo)定系統(tǒng)溫度、面型精度等望遠(yuǎn)鏡性能。調(diào)試后期，我們期待開始產(chǎn)生新發(fā)現(xiàn)，包括脈沖星、吸收線等，當(dāng)然需要經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)證和后續(xù)觀察才能宣布。預(yù)計(jì)FAST未來會發(fā)現(xiàn)上千個脈沖星，實(shí)現(xiàn)中國相關(guān)領(lǐng)域的突破，并達(dá)到世界領(lǐng)先水平。利用脈沖星探測引力波等天體物理前沿領(lǐng)域，也是FAST的目標(biāo)。

中性氫，也就是原子氫，是我們使用FAST望遠(yuǎn)鏡探索銀河系環(huán)境的重要目標(biāo)。通過發(fā)現(xiàn)原子氫，可以發(fā)現(xiàn)新的星系、探索宇宙的演化歷史和生命的起源。FAST也將搜尋新的星際分子，研究星際介質(zhì)演化和恒星形成。

廣州日報：FAST的觀測范圍有多大？

李菂：可以看到一半的銀河系，往南最多可以看到天赤道以南十幾度的天區(qū)，比之前的世界最大射電望遠(yuǎn)鏡阿雷西伯（Arecibo）大兩倍以上。

廣州日報：FAST運(yùn)行后，將怎么巡天？

李菂：FAST的特點(diǎn)和獨(dú)特優(yōu)勢推動我們創(chuàng)建很有挑戰(zhàn)性的巡天模式，即多科學(xué)目標(biāo)同時掃描巡天：脈沖星搜索、氣體星系搜索、銀河系中性氫成像、快速射電源的搜索。世界上其他射電望遠(yuǎn)鏡，還沒有這四大目標(biāo)同時進(jìn)行，是世界上沒有前例的開創(chuàng)。我們已經(jīng)有了方案，做了實(shí)驗(yàn)，希望在FAST驗(yàn)收前，構(gòu)建出比較有效的掃描巡天模式，提供給全國天文學(xué)者，產(chǎn)生系統(tǒng)性的發(fā)現(xiàn)和重大突破。

廣州日報：巡天數(shù)據(jù)這么龐大的話，怎么存儲、傳輸和處理？

李菂：FAST一年運(yùn)行的數(shù)據(jù)是10-20個PB,?超過了科學(xué)院其他任何一個項(xiàng)目，也超過了貴州省銀行數(shù)據(jù)的總流量。通過多方合作，我們正在搭建數(shù)據(jù)處理平臺，希望今年年底、明年年初能建成。也在探索用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能來進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理。

供全世界科學(xué)家申請使用

廣州日報：FAST項(xiàng)目的國際合作情況怎么樣？

李菂：FAST是中國自主創(chuàng)新的項(xiàng)目，而我們團(tuán)隊(duì)本身是國際化的，有各個層次的外國背景的天文學(xué)專家，包括教授、博士后、學(xué)生等。更有大量實(shí)質(zhì)合作和交流，例如伯克利射電實(shí)驗(yàn)室主任去年兩次在現(xiàn)場參與調(diào)試。及其天文學(xué)重大熱點(diǎn)之一的快速射電爆發(fā)現(xiàn)人也來到現(xiàn)場交流，并開展進(jìn)一步合作。這個月，脈沖星之母約瑟琳·貝爾會來訪問。FAST正式運(yùn)行后，按照國際慣例，將設(shè)有開放時間，供世界各國科學(xué)家申請使用。中國自主創(chuàng)新基礎(chǔ)上的國家開放共享平臺會成為一個常態(tài)。

廣州日報：你是怎么跟FAST結(jié)緣的？

李菂：2008年，由中國科學(xué)院正式聘為作為項(xiàng)目科學(xué)家，參與了FAST的方案規(guī)劃。2011年，與FAST首席科學(xué)家南仁東老師、工程團(tuán)隊(duì)一起發(fā)表論文，詳細(xì)論述了FAST的整個工程概念及科學(xué)目標(biāo)。2012年，我全職回國參與FAST一線建設(shè)。從2012年到2016年，我領(lǐng)導(dǎo)的重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（973）團(tuán)隊(duì)發(fā)表了270多篇國際一流（SCI)論文，取得了新毫米脈沖星，新種類星系微波激光源等重要發(fā)現(xiàn)，支持培養(yǎng)了50多個博士、8個博士后。

一定要避免電磁波干擾

廣州日報：在FAST建設(shè)過程中，覺不覺得辛苦？

李菂：我是2015年擔(dān)任副總工之后，才逐漸更多下工地，倒不會覺得辛苦。建設(shè)期間的臨時板沒有室內(nèi)洗手間，沒有熱水。2016年凍災(zāi)時，從單獨(dú)的澡房出來，頭發(fā)上結(jié)一層冰碴。FAST工程團(tuán)隊(duì)常駐現(xiàn)場的很多人都比我辛苦多了。

廣州日報：避免周邊電磁波干擾，是不是世界上所有的射電望鏡的難題？

李菂：沒錯。電磁波干擾甚至?xí)[笑話。十幾年前，澳大利亞射電望遠(yuǎn)鏡獲取了疑似重大天文發(fā)現(xiàn)的信號，經(jīng)過了數(shù)年反復(fù)核查，結(jié)果來自微波爐。一個手機(jī)放在月亮上，會成為天上最亮的射電信號。手機(jī)、相機(jī)、空調(diào)、LED、施工車輛燈，都是干擾源，成為制約FAST科學(xué)能力的主要因素。FAST相比此前世界最大的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的主要優(yōu)勢之一就是更好的射電環(huán)境和保護(hù)。

這方面，我們非常感謝黔南州及平塘縣政府的大力支持和配合。2016年9月由黔南布依族苗族自治州人民代表大會常務(wù)委員會通過頒布了FAST電磁波寧靜區(qū)環(huán)境保護(hù)條例，明確了距FAST 5公里之內(nèi)的核心區(qū)禁止建設(shè)與環(huán)境保護(hù)和射電望遠(yuǎn)鏡無關(guān)的項(xiàng)目，并關(guān)閉已建成的項(xiàng)目。由地方政府主導(dǎo)的移民項(xiàng)目也進(jìn)展順利。這些都是FAST能通過驗(yàn)收，領(lǐng)先世界的必要條件。