中国天眼与自然融合案例研究论文

【导读】 他曾写给自己的诗句：“美丽的宇宙太空，以它的神秘和绚丽，召唤我们踏过平庸，进入它无垠的广袤 南仁东把人生当中最宝贵的20年时间献给了天眼。从FAST的选址、立项、可行性研究,到指导各项关键技术的研究以及模型试验, 所以他的发明更是具有跨时代的意义 ，被评为人民科学家。他在建设天眼的时候有哪些传奇故事？又会遇到了哪些困难？【简介】 生于1945年2月的南仁东先生，是吉林辽源人。他是我国著名天文学家，国家天文台研究员，2017年入选中国科学院院士候选人名单。2019年9月17日，授予南仁东“人民科学家”国家荣誉称号，也是为南老的付出的一种极大认可。 南仁东先生还是我国天眼（FAST),全球最大的射电望远镜建造的发起者，首席科学家兼总工程师。 截止2017年9月，南仁东已发表科技论文222篇，专著7部，技术报告6本，专利36项，论文被SCI收录56篇，被EI收录65篇，SC和BI引进，引用近900次。此 外还多次参与重大科研项目的工作。 ⑴高考状元 1945年，南仁东出生在吉林省辽源市龙山区的一个小镇，成绩优异的他先后就读于辽源中兴小学校、辽源四中、辽源五中，屡获学校表彰。1963年，南仁东以高考平均98.6分（百分制） 的优异成绩夺得“吉林省理科状元” ，并成为清华大学无线电专业的一名学生。⑵出现契机 1993年，在日本国际无线电科学联盟大会上，科学家们提出建造新一代射电望远镜，这样就接收更多来自外太空的讯息， 要为10年、20年后的射电天文学发展做打算。 南仁东转身跟同事们说：“咱们也建一个吧。” 当时,中国最大的射电望远镜口径只有不到30米，所以 中国要用外国的射电望远镜研究，是以一小时计算的，费用很高，时间很短。 这也是500米口径球面射电望远镜（FAST）工程开始的契机。 ⑶准备回国 有人说,FAST成就了南仁东。但实际上,早在FAST之前, 南仁东就已经是著名的天文学家。南仁东年轻时曾应邀前往荷兰、苏联等国的著名天文台进行考察访问。 南仁东当时在日本国立天文台担 任客座教授 ，拥有世界级别的科研条件和待遇 。 在1994年，他 一天的工资顶得上国内一年，可他却说：“我得回国。” 因为外国先进的科研设备、优厚的生活待遇，都不曾使南仁东心动分毫， 在目睹了其他国家的先进技术后他的信念愈加坚定要造出中国人自己的超级望远镜。 多年的突出成果得到国际同行赞誉和认可,他于2006年被国际天文学联合会射电天文分部选为主席。1994年,南仁东开始主持国际大射电望远镜计划的中国推进工作。球面射电望远镜的建设又是困难重重， 关键技术无先例可循，关键材料急需攻关，核心技术遭遇封锁。 从此,年近50岁的他再也停不下来 。因为选址，论证，立项，建设，哪一步都不易。 ⑴ 无先例可循 在国际上,用钢结构建造的射电望远镜,口径突破100米已经是工程的极限。想建更大口径的望远镜,就要选择一个又大又圆的坑, 依靠地势来实现。 当南仁东得知西南边陲的深山里有着建设“中国天眼”得天独厚的地理条件 。 带 着300多幅卫星遥感图， 他迫不及待地登上了从北京到贵州的火车绿皮火车，咣 当咣当地要开行近50个小时，他一趟一趟往返 。 时间长达12年。 十多年间，他寻遍了贵州大山里的上百个窝凼，踏遍了乱石密布的喀斯特石山，十多年间他得到了很多干部和农民的帮助，他常常像农民那样穿一条短裤，屁股上挂一把柴刀。 因为有的地方有路，只能从石头缝深一脚、浅一脚地挪过去。 聂远平曾经有过一个深刻的经历，那就是初见刚回国的南仁东都是穿着这很时髦，打着领带穿着西装。南仁东变成了一副民工打扮，给人的感觉就是根本就不像天眼总设计师。 ⑵ 摔倒 在1995年，他毅然坚持下窝里考察，突然瓢泼大雨从天而降。他曾亲眼见过窝凼里的泥石流，山洪裹着砂石，连人带树都能一起冲走。 他却在攀爬的路上不小心摔倒了，滚了下来。 但是他却丝毫不在意。他认为这是在选址当中很平常的一件事。 南仁东就往嘴里塞了救心丸，连滚带爬回到垭口。 十几年下来，综合尺度规模、电磁波环境、生态环境、工程地质环境等因素，最 终在391个备选洼地里选中了条件最适宜的大窝 凼 。 1995年11月，以北京天文台为主，还有国内20余家大学和科研机构，共同组建了“大型射电望远镜”建设中国推进委员会，南仁东先生为主要带头人。作为“大射电望远镜”中国推进委员会主任的他 ，除了要负责立项和组织调研、实施工作，还要提出科学策略，确定优先的观测计划。 他一心想让“天眼”尽快建成启用。项目开工后，几千工人同时进场， 南仁东和工人们扎堆在一起工作 。他的学生这样说他在深山寻址的南仁东，在农民堆里分不清哪个是南仁东。在建设工地上的南仁东，在工人堆里也分不清谁是南仁东。⑴对待科学研究，南仁东无比严肃和严谨 对待科学研究，南仁东无比严肃和严谨。南仁东总是这样说：“好好干，不能对不起国家和百姓。”“天眼”没有哪个环节能“忽悠”他，任何瑕疵在他那里都过不了关。工程伊始，要建一个水窖，施工方送来设计图纸， 他迅速标出几处错误打了回去。施工方惊讶极了：这个搞天文的科学家怎么还懂土建？ 所以许多工人都记得，即使在炎热的夏天，为亲自测量工程项目的误差，南仁东总会丢下饭碗就往工地上跑。 在多少个灯火通明的深夜多少次仔细核审、反复计算，埋头钻研、耐心沟通 ⑵创新 天体无线电波的固有本性,是射电天文观测的一个棘手难题。天体的无线电波是平行的,当反射面是球面时,无线电波会汇聚成一条线,只有当反射面是抛物面形状的时候,它才能汇聚成一点,进入到接收机。为了克服这个难题,南仁东带领工程师们想出了一个绝妙的设计，那就是 主动变形反射面,它可以使球形的反射面实时变形为抛物面。 这个设计在世界上绝无仅有。通过控制近万根钢索所组成的复杂的索网结构,FAST系统可以灵活地控制 由4450块独立面板所组成的反射面,对准天体目标,再由6根钢索拖动重达30吨的馈源舱,抵达焦点位置,实时接收天体发射的电波。 当第一眼看到FAST时,SKA国际组织前任总干事理查德·斯基利说自己所能想到的第一个词就是"震惊" :"这是一个令人震惊的设计理念。" 南仁东却硬是凭借自己的执着和勤奋,带领一群有着同样科学梦想的人,把不可思议的设想一步步变成了现实。FAST涉及的专业领域很多,每个领域都有专家提出不同意见。作为首席科学家和总工程师,南仁东必须做出决策。 而要做出正确的决策,就必须懂行。 ⑴领域宽泛 2007年,FAST终于正式立项，南仁东更拼命了。FAST工程的艰难程度远超想象,关键技术又无先例可循。而且,工程涉及天文学、力学、机械工程、电子学、测量学,甚至岩土工程等各个领域。 从纸面设计到建造运行，有着十万八千里的距离。 南仁东生前曾多次跟老同事斯可克提起,FAST项目做不好 ,他没法向国家交代,所以不敢有半点疏忽。 所以，南仁东穿的与施工工人无异,马不停蹄地奔走在工程的各个细节查看。 他表情严肃,声音沙哑,不停地向施工单位提建议、挑毛病。 在台址勘察期间,为了更清晰地了解现场,掌握第一手资料,制定正确的危岩治理方案,65岁的南仁东和年轻人一起,在没有路的大山里攀爬。 在去陡峭山顶时,大家劝他在山下等着,看完结果向他汇报,他却坚持:“我要和你们一起上去,看看实际的情况。” ⑵需要工程预算 除了选址的困难，经费问题是阻碍工程进度的重要原因。有那么几年时间，南仁东成了一名“推销员”，他开始到处游说，为了获得更多人的支持，无论在国内还是国外，无论大会还是小会， 南仁东逢人就讲大射电项目。他满怀激情、不厌其烦地向不同的人解释FAST的每一个创新概念。 他自掏路费，从东北到东南再到西北，先后联络了全国二十多所高校和科研院所参与。 有人说，FAST代表了中国科技的长征，它更是南仁东生命里的长征。 ⑶索网实验失败，无法正常工作 2010年,FAST曾经历一场近乎灾难性的风险——索网疲劳问题。 当时购买的钢索进行疲劳实验后,无法承受重量，会变形，没有一例能满足FAST的使用要求。 FAST反射面的结构形式也因此迟迟定不下来。南仁东寝食难安,天天与技术人员沟通。经 历近百次失败后,他终于带领团队研制出满足要求的钢索结构。 ⑶反射板 反射板变成带洞的结构，方便雨水流淌和阳光洒入，重量从2300吨，变成了1300吨，天眼与大自然融为一体。南仁东的科学目标分析，创造突破机遇。天眼的独特造型的设计验证了中国的那句，过谷雨，中华眼，望上苍，斗转星移。8000多个日日夜夜,FAST就像南仁东亲手拉扯大的孩子。作为首席科学家,南仁东主导和参与了FAST项目每一个工程难题,带 领FAST渡过一次又一次危机。 2016年9月25日，具有中国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜在贵州省平塘县的喀斯特洼坑中落成启用，它的诞生代表着中国海外领域又前进了一大步。⑴艰苦的条件 从预研到建成的22年时间里，我国老中青三代科技工作者，克服了不可想象的困难，南仁东和同事们毫不退缩， 他们喝的是天然的混水，吃的是自带的冷干粮，冬天实在是冷得受不了了，就捡几根柴火一起抱团取暖。 在2016年“中国天眼”落成启用前，他就和大家一起住在彩钢房里，生活极其节约，每个房间住4个人，洗浴厕所都是公用的，食堂里坐着是大锅饭。他觉得就像一个牢牢扎根的工人一样， 他经常说自己就是一个战术型的老工人。 ⑵得了肺癌 FAST是个有挑战性、冲击性、超越性的项目，南仁东承担着巨大的压力。长期疲惫不堪的重负让他积劳成疾。在2016年9月南仁东患了肺癌， 在做手术的时候，他伤到了声带。但是他却始终坚持参与天眼建设，因为他觉得时间转瞬即逝。 南仁东一向不要别人照顾，在患病后他依然带病坚持工作，尽管身体不适合舟车劳顿，但他仍坚持从北京飞赴贵州，亲 眼见证了自己耗费22年心血的大科学工程落成。在南仁东逝世时,留下遗愿,丧事从简,不举行追悼仪式 。⑶淡漠名利 多年来,FAST项目成为享誉世界的超级大工程,其创新技术得到了各方认可,获得了各种奖励,但属于南仁东个人的荣誉却只有“CCTV2016年度科技创新人物”“2016中国科学年度新闻人物”“2017年全国创新争先奖章”寥寥几项。他对名利淡漠, 却对现场的工人和贫困地区的孩子十分上心。 他曾给来自云南的工人买运动服,还常带些瓜果与工人们。每次晚饭后,他都会到工人的工棚坐坐,他的记忆力极好,几乎知道每个工人的名字、工种、收入情况,还知道一些他们家里的琐事。他看到了当地人生活的艰苦,了解当地小孩子上学的不易,于是他出资捐助十余位儿童上学。 时至今日,仍有受资助的学生给他写信。 目前,FAST项目还在紧张调试。到目前为止，“中国天眼”已经发现了102颗脉冲星，其数量已经超过了众多国家的数量和。其中92颗为新的脉冲星。【树叶有话说】 2017年9月15日，我国著名天文学家、“天眼之父”南仁东先生因病逝世，享年72岁。此前的23年时间里，南仁东从壮年走到暮年，把一个朴素的想法变成了国之重器，南仁东的科学目标分析，创造突破机遇。天眼的独特造型的设计验证了中国的那句，过谷雨，中华眼，望上苍，斗转星移。 成就了中国在世界上独一无二的项目——500米口径球面射电望远镜FAST，人们习惯称它为“中国天眼”。 “天眼”能够接收到137亿光年以外的电磁信号，观测范围可达宇宙边缘。借助这只“天眼”，科学家可以窥探星际之间互动的信息，观测暗物质，测定黑洞质量，甚至搜寻可能存在的星外文明。 作为世界最大的单口径望远镜，FAST有望在未来10年到20年保持世界一流设备的地位。

中国天眼发现迄今宇宙最大的原子气体结构，这一气体结构的尺度比银河系要大20倍，这一发现是具有非常重要意义的。不仅对于今后我国研究人员对宇宙的研究有重要的参考意义，还能丰富我国的天文学科，给很多研究人员提供充分的数据参考，我国科学家利用中国天眼对斯蒂芬五重星系和周围的区域进行成像观测，是很大的进步。

1.这个发现对于我国天文台研究员的进一步研究有重要推动意义

这个尺度大约为2,00万光年，是非常巨大的原子气体结构，如果能够出非常重要的数据，那么将会对我国进一步研究宇宙有非常重要的参考。这也是迄今为止，我国在宇宙中探测的最大的原子气体的结构，这也有利于树立我国在世界天文学研究中的地位，有利于展示我国的综合国力。而且这个发现也是得益于我国天眼的超高灵敏度。

2.这一发现也有利于促进我国探测仪器的使用与进一步精进

我国天眼已经具备非常高的灵敏度，而且这是前所未有的天体探测能力，这也会激励到我国其他探测仪器的不断进步，这也会为我国研究天体打开一个非常崭新的窗口。 而且我国的天眼也能够探测到远离星系中心的非常稀薄的气体所发出的辐射，天眼的仪器结构也将会被用于其他探测仪器上，会进一步推进我国对于宇宙天体起源的研究。

3.此发现也会丰富我国的天文学，能够激发很多青年学者的热情

这一结果确实会让很多天文爱好者热血沸腾，宇宙中所有天体的起源离不开原子气体，观测宇宙气体也是天文物理领域非常重要的研究课题，而这一新的发现，也会让很多青年爱好者进一步激发探测宇宙的热情，也会让星系群更加受到关注，这同样也预示着宇宙中会存在很多大尺度的低密度原子气体。

在宇宙中，有很多不可思议的现象，比方说快速射电暴，多年来，天文界一直都对快速射电暴的起源争论不已，如今，这个难题，终于被“中国天眼”所破解，这项研究也发表在最近的国际权威科学期刊——《自然》杂志上。

快速射电暴的谜团

什么是快速射电暴呢？它是一种宇宙中非常神秘的自然现象，多年来，也曾有观点认为，快速射电暴的出现，可能和神秘的“外星文明”有关。比方说曾经有科学家表示，或许是超级文明在宇宙中驾驶着飞船前进时，燃料燃烧释放出的神秘电波。

当然，这种观点在科学界并不被认可，截止到目前，还没有任何证据表明，快速射电暴和尚未发现的“外星文明”有关。说起来，快速射电暴之所以神秘，是因为它们持续的时间都非常短暂，一般都仅有几毫秒，但是释放出的能量却是非常惊人的，当快速射电暴爆发的时候，遥远的宇宙深处，也一下子明亮了起来。

人类研究快速射电暴的时间并不长，一直到2007年，人类才捕捉到第一个快速射电暴，此后，伴随着科学探测仪器的不断“升级换代”，人类探测到的快速射电暴也多了起来，而且在这些快速射电暴中， 也经常有很多不可思议的信号。

比方说，一些快速射电暴是重复的，它们的信号源来自于同一个地方，这究竟是怎么回事呢？对于这种“神龙见首不见尾”的奇怪宇宙现象，多年来，科学家也一直进行着各种各样的研究，比方说如果不是“外星文明”发出的信号，那么，究竟是哪一种天体制造了它？它释放出的信号里，究竟有哪些信息呢？

这些问题， 其实多年来一直都是欧美国家在研究方面比较领先，因为我国在“中国天眼”落成并投入使用之前，由于没有对口的大型探测设备，所以，一直都是偏向理论知识的研究，终于在“中国天眼”投入使用后，才迎来了新的突破。

“中国天眼”的新发现

在目前对于快速射电暴的研究中，一共有2种假说：第一种假说，认为快速射电暴的出现，和宇宙中的磁星有关。第二种假说，则认为快速射电暴是宇宙中某些致密天体爆发的时候，所产生的激波（一种辐射波）。

那么，究竟答案是什么呢？截止到目前，科学家们已经在宇宙中发现了超150个快速射电暴的信号源，但是对于这两种假说究竟哪一种是准确的，仍然没有答案。

2019年，中国科学家团队通过“中国天眼”，观测到了一个新的快速射电暴，将它取名为爆发源FRB 180301，后来通过查阅资料和数据汇总，发现其实爆发源FRB 180301，第一次被发现是在2018年，当时澳大利亚科学家第一次发现了它。

后来，通过持续观测，终于又多次发现了来自于爆发源FRB 180301的快速射电暴，这意味着，它是一个频繁重复的爆发源，科学家认为，或许可以通过对爆发源FRB 180301的持续观测研究，揭开快速射电暴的起源之谜。

去年10月份，仅仅6个小时左右的时间，爆发源FRB 180301竟然又再次发生了11次爆发，最终，通过大数据汇总，研究者终于搞清楚了快速射电暴的起源，原来它们竟然和宇宙还能够的“怪物”——磁星有关。

这个观测结果，也终于揭开了有关快速射电暴的起源之谜，接下来，只需要持续观测，获得更加详尽的数据就可以了。

那么，为何磁星和快速射电暴有关呢？这就与磁星本身的磁场超级强大有关了。什么是磁星？磁星其实它的前身也是恒星，在经过坍缩后，变成了中子星，之后，由于这颗中子星的磁场惊人，所以，变成了磁星。

简单来说，磁星就是磁场超级强大的中子星。最早有关磁星的猜想，是在1992年被提出的，进入到21世纪之后，人类终于发现了磁星，也发现它们可以释放出超强的能量来。

研究者表示，这个发现意味着，或许宇宙中那些重复的快速射电暴，都和磁星有关，当然，也有一种可能是，快速射电暴的起源有多种，不过，这一点就需要进一步去 探索 研究了，大家觉得答案会是什么呢？

借助“中国天眼”，中国天文学家发现了宇宙毫秒无线电爆发的新物理现象：最近，北京大学教授、国家天文台研究员李柯伽研究团队利用“中国天眼”探测到一例快速射电重复暴，在国际上首次发现该重复暴的辐射具有非常丰富的偏振特征