侯新杰 王超

FAST工程是“中國天眼”項目的簡稱。FAST是500米單口徑射電望遠鏡（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope）的英文縮寫，是目前世界上最大的射電望遠鏡。FAST工程是南仁東先生用生命成就的國家驕傲。從1994年“天眼”概念的提出到2016年“天眼”項目的完成，南仁東帶領(lǐng)團隊用了20多年的時間完成“天眼”的建設(shè)，解決了我國射電天文研究方面的需求，為我國在射電天文方面的國際交流與合作貢獻了畢生心血。我們通過此文回顧南仁東的求學(xué)經(jīng)歷、科研歷程、立志回國建造中國新一代射電望遠鏡和獻身“中國天眼”建設(shè)的動人事跡。

1 求學(xué)經(jīng)歷，赤子雄心志千里

南仁東出生于1945年，籍貫是吉林省遼源市龍山區(qū)，滿族人。他6歲在遼源中興小學(xué)讀書，12歲上遼源市第四初級中學(xué)，15歲上遼源市第五高級中學(xué)，他學(xué)習(xí)非常努力，多次獲得學(xué)校的表揚。

1963年，南仁東在高考中一舉奪得省理科狀元，是當?shù)亟?0年僅有的一個清華才子。然而清華高才生的喜悅很快又消失了，由于他太優(yōu)秀了，他的分數(shù)超過當年的錄取分50多分，當時的中國又缺少無線電方面的研究，清華大學(xué)把南仁東從他喜歡的建筑系調(diào)劑到了無線電專業(yè)。對于學(xué)校的決定，他情緒有過失落，甚至想過放棄學(xué)業(yè)。但最后他調(diào)整了自己的心態(tài)，服從了學(xué)校的決定，他在清華大學(xué)讀完了本科。我們在為祖國減少了一位建筑工程師而感到遺憾的同時，也為祖國增加了一位優(yōu)秀的天文學(xué)家而慶幸。他在清華大學(xué)讀本科期間，周恩來總理來清華大學(xué)視察，他是被周總理點名發(fā)言的學(xué)生代表。這次的發(fā)言讓他記憶了一生，他立志要像周總理一樣，為中華民族在天文領(lǐng)域的崛起而努力。

清華大學(xué)本科畢業(yè)后，南仁東回到了老家吉林，在老家的無線電廠上了將近10年的班。1977年，他依靠個人努力考進中國科學(xué)院，從1978年到1987年的9年時間里，師從王綬琯院士，并獲得碩士和博士學(xué)位。

1984年，南仁東開始運用國際甚長基線網(wǎng)對活動星系核進行系統(tǒng)觀測和研究。1985年到1987年，南仁東在荷蘭德云格勒天文臺訪學(xué)，后來，他又先后在加拿大、美國、英國、意大利及日本等國家天文機構(gòu)進行客座研究。1987年與1988年在荷蘭Dwingeloo天文臺與意大利Bologna射電天文研究所訪學(xué)期間，他帶領(lǐng)團隊成功進行了歐洲及全球網(wǎng)十幾次的觀察實驗，他是全球第一個采用VLBI（英文very long baseline interferometry的縮寫，譯為甚長基線干涉測量）“快拍”模式的科學(xué)家。在VLBI50cm24個致密陡譜源的觀察研究中，他采用了“快拍”模式（snap-shot mode）進行觀測?？炫呐c連續(xù)跟蹤觀測之間的區(qū)別是前者在短時間內(nèi)對選定目標進行觀測，然后改變跟蹤指向，一定時間后再重新對這一源作另一次短時間觀測，在分配到的固定觀測時間內(nèi)可以得到比較散布的覆蓋，可以等效延長觀測時間，而后者不具備這種功能。1989年，南仁東在北京天文臺研究了合并甚長基線與綜合孔徑系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)的方法。他以3C343全球VLBI網(wǎng)18cm觀測數(shù)據(jù)的處理為例，用這種方法改善VLBI在源的擴展結(jié)構(gòu)部分成圖的質(zhì)量，處理結(jié)果表明合并后數(shù)據(jù)所產(chǎn)生的混合圖給出更為可靠的源結(jié)構(gòu)描述。1989年，南仁東在美國加州技術(shù)研究所進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理時，發(fā)現(xiàn)快拍觀測模式所獲得的UV數(shù)據(jù)遠少于取樣率的低限值，這給VLBI數(shù)據(jù)處理軟件的常規(guī)使用帶來了麻煩，他提出了針對殘缺UV數(shù)據(jù)的成圖技術(shù)的自校準處理方法。自校準處理方法的目的就是在連續(xù)的迭代過程中修正誤差，以使?jié)嵒^程的真實綜合束接近理想綜合束。他創(chuàng)新VLBI偏振觀測技術(shù)方法，提出的3C119多頻率偏振課題在美國甚長基線陣（VLBA）運行后立即被接受，獲得該源毫角秒空間尺度的偏振和磁場精細結(jié)構(gòu)，揭示了濃密介質(zhì)限制噴流形成大尺度的機制。由于他在VLBI領(lǐng)域多年研究的突出成果得到同行贊譽，擔(dān)任日美空間計劃VSOP在軌檢測IOC組長。

2 放棄國外高薪，立志回報祖國

1993年，全球無線電科學(xué)家聯(lián)盟大會在日本召開，當時全球該領(lǐng)域的專家都來到日本。在這次大會上大家提出倡議，建造新型射電望遠鏡來獲取外太空的信息。當時的南仁東在日本國立天文臺擔(dān)任客座教授。當他聽到這個消息興奮地說道：“中國為什么不能做一個呢？我要為我的祖國也建一個！”從此以后，他的后半生就徹底獻給祖國的天文學(xué)事業(yè)，他的人生再也沒有偏離過“建造中國新一代射電望遠鏡”的軌道，這一堅持就是一輩子。

在20世紀90年代的中國大地上，談“收集太空信息，探究宇宙生命”，這幾乎是癡人說夢，讓人難以置信。然而南仁東卻對這神秘的太空充滿無限的向往，對于自己的想法，他說干就干。他開始運用自己的一切辦法，去搜集國際上關(guān)于這個領(lǐng)域的最前沿的科研動態(tài)。在對這一領(lǐng)域有所了解后，他就決定要回到祖國。日本為了挽留他，給他提供全球最先進的科研條件，讓他為日本建造新一代射電望遠鏡，被他拒絕了。日本又提出給他高出國內(nèi)300多倍的薪資待遇。即使知道回國后一年的工資也只是在國外工作一天的工資，他毅然決定回到祖國。全球最先進的科研條件和高得離譜的薪資待遇這雙重誘惑，也難擋南仁東的一心歸國志。他說：“我的祖國需要有知識。”

3 矢志不渝，歷歷星河二十載

20世紀末，我國的射電望遠鏡技術(shù)還處于剛剛起步階段，很多技術(shù)尚不成熟，最大的口徑也只有20多米。南仁東卻“揚言”要打造一個全球最大的射電望遠鏡。1994年7月，面對大家的無知誤解與冷嘲熱諷，南仁東向中國科學(xué)界提出“天眼”這一超出大家想象的概念，緊接著他就開始了為“天眼”尋找臺址的工作。這一找就是漫長的12年。

從1994年起，南仁東著手選址工作。通過對球面體望遠鏡的研究，結(jié)合我國的地理情況，南仁東認為要想建成500m級別的超大型口徑望遠鏡，就應(yīng)該選用喀斯特洼地當做望遠鏡的臺址。選址的艱辛難以形容。為了給這個“大家伙”選一個合適的臺址，南仁東跋山涉水在云貴地區(qū)的深山老林中。他借助衛(wèi)星遙感技術(shù)，又實地勘察了1000多個洼地，并對這些洼地進行全方位多角度的評比。單單為“天眼”選一個合適的臺址，就耗盡了南仁東的12個春秋。在選址過程中，為獲取最直接最準確的信息，方便下一步的對比篩選工作，50多歲的南仁東一頭扎進貴州的深山老林里。他每天憑借著兩根竹竿當拐杖，在沒有道路的區(qū)域翻山越嶺。他的選址理念就是一定要到第一現(xiàn)場去，只有對第一現(xiàn)場非常清楚，才能確定是否適合作為臺址。無論是懸崖峭壁還是峻峭險峰，他都堅持一定要親自去勘察，完全不顧及自己的年齡。在一次去現(xiàn)場勘查的途中，南仁東在下窩凼的過程中，天氣突然轉(zhuǎn)陰，緊接著就下起了瓢潑大雨。在山里生活過的人都非常清楚，暴雨天氣窩凼里極易存水，同時山洪也很快就會沖下來了。他趕快從口袋里摸出幾粒救心丸塞進嘴里，往埡口跑，趕到埡口時已經(jīng)是全身濕透了。還有一次，南仁東實地考察一處窩凼。在窩凼底部勘查后，他想從高處勘查一下窩凼的整體情況。在攀登頂峰的過程中，他差點跌入山崖。值得慶幸的是他被兩棵樹擋住了。20世紀90年代的中國，由于經(jīng)濟條件的限制，國家沒辦法給天眼項目提供太多的科研經(jīng)費。他就全世界的跑贊助，找合作伙伴。為了突破技術(shù)的束縛，尋求技術(shù)方面的合作，他不顧自己年齡的問題，坐著火車在中國大地上從東跑到西，再從南跑到北，就這樣幾乎跑遍了與“天眼”項目有技術(shù)關(guān)聯(lián)的各大名校和科研院所。南仁東還通過自己在國際上的影響，設(shè)法參加國外的學(xué)術(shù)會議，尋求國際上的支持與幫助。從一開始大家都不愿意趟這趟渾水，到后來開始有單位關(guān)注“天眼”項目并表示支持，再到后來合作單位逐漸增加。到最后的時候，與“天眼”項目簽約合作的單位多達20多家。

為了中國的天文事業(yè)，也為了自己的夢想，南仁東堅持走別人不能堅持的道路。正常從事科學(xué)研究的人在沒名分，沒人員，沒經(jīng)費的情況下總會考慮是否能繼續(xù)走下去，但是他卻要一板一眼認認真真地往下走。

2007年7月，經(jīng)過國際評審和國內(nèi)評審一致通過后，國家對“FAST”工程批準立項。在項目建設(shè)的開始階段，經(jīng)費依舊是處于緊張狀態(tài)。南仁東為了節(jié)省開支，每次都是坐著當時最便宜的綠皮火車在貴州與北京之間往返著，而且一坐就是四十多個小時。此時的南仁東已經(jīng)六十多歲了。在建設(shè)過程中，南仁東待在貴州的深山老林里，和大家一起守著工地，一起住著活動簡易房，一起吃著食堂。有時他忙于工作去食堂比較晚，食堂沒有飯了，他就把饅頭泡到剩菜湯里兌點白開水湊合吃一頓。有一次做飯的阿姨看見后要給他煎個雞蛋，他堅決不同意，他說自己不能搞特殊。

“FAST”項目從最初期的設(shè)計，到后來的制造，再到最后的安裝，在技術(shù)上突破了3項重要的創(chuàng)新點。第一點，找到體積、形狀、工程、水文和地質(zhì)都適合作望遠鏡的臺址的喀斯特洼坑；第二點，建成500m口徑的主動反射面球冠，通過主動控制在觀測方向形成300m口徑瞬時拋物面，將電磁波匯聚在焦點上，實現(xiàn)寬頻帶觀測；第三點，500m空降尺度，通過6根鋼索解決焦點處的接收機與反射面之間的聯(lián)接問題，同時又借助精調(diào)機器人來抵消由于鋼索的震動而造成的誤差，從而實現(xiàn)了高精度的指向跟蹤。

2014年，在安裝“天眼”的反射面單元時，由于受到地形條件的限制，需要進行空中吊裝。此時的南仁東已經(jīng)接近七十歲的高齡了，但是為確保工作的安全性和可行性，他依然決定要做第一個被懸吊在高空進行作業(yè)的“小飛人”。為了完成這次測試，他被懸掛在沒有任何物體可以接觸的高空進行作業(yè)，一場測試下來他全身跟剛洗完澡一樣全是汗水。

2016年9月25日，“中國天眼”落成試用。就在同年的下半年，南仁東被確診為肺癌。在進行手術(shù)時，他的聲帶也受到了影響。就在這種情況下，他完全不顧自己的身體狀況，仍然堅持從北京飛往貴州的試驗基地，他說要為“天眼”項目的正式運行站好最后一班崗。FAST是由我國自主研發(fā)的，全球最大的靈敏度最高、綜合性能最強的單口徑望遠鏡。

在靈敏度方面，它是號稱“地面最大機器”的德國波恩100m望遠鏡的10倍；在綜合性能方面，它同樣是被評為20世紀10大工程之首的美國Arecibo300m望遠鏡的10倍。按當前科技的發(fā)展速度，F(xiàn)AST使中國在未來20～30年在最大單口徑望遠鏡項目上保持世界一流設(shè)備地位。

“中國天眼”是一個多學(xué)科基礎(chǔ)研究平臺。巡視宇宙中的中性氫是FAST的科研目標之一。中性原子氫（Hl）是星際介質(zhì)的主要成分，當中性氫原子中的電子和質(zhì)子發(fā)生躍遷時，就會產(chǎn)生頻率為1.4204057517667GHz（波長約合21cm）的超精細結(jié)構(gòu)躍遷譜線。中性氫的21cm譜線輻射是示蹤星系結(jié)構(gòu)、運動和動力學(xué)演化的有力工具，也是勾勒銀河系旋臂走向的重要途徑。FAST可以精細地解析出中性氫的21cm譜線的速度特征，這將使星系動力學(xué)、星系演化等方面的研究獲得更大的進步。搜索脈沖星也是FAST的核心科研目標。脈沖星誕生于大質(zhì)量恒星耗盡其燃料后的超新星爆發(fā)。一般認為，質(zhì)量為825個太陽質(zhì)量的恒星，在其演化末期超新星爆發(fā)后將形成脈沖星，脈沖星的密度比原子核還要高。脈沖星具有非常強的引力場，也具有非常強的磁場。因此脈沖星是驗證強引力場、強磁場、高密度等極端物理環(huán)境下物理規(guī)律的“天然實驗室”。例如脈沖星在引力波科學(xué)上起到了很重要的作用。1974年，天文學(xué)家Hulse和Taylor發(fā)現(xiàn)了，PSRBl917+16的脈沖星，并且認定這是一對雙星，這對雙星的運動速度很快，達到了450km/s；在這個系統(tǒng)的運動中顯現(xiàn)出了廣義相對論效應(yīng)，如軌道的進動，以及電磁波在引力場中傳播的延遲。在進一步的觀測中，他們發(fā)現(xiàn)這對雙星的軌道在不斷縮小，頻率不斷上升，并且確認，這是由于引力波輻射所導(dǎo)致的能量損失，這兩位科學(xué)家于1993年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

脈沖星搜索是進行引力波探測研究的基礎(chǔ)，脈沖星計時陣是觀測超大質(zhì)量雙黑洞發(fā)出的引力波的最有效方法。脈沖星計時陣依賴數(shù)十顆計時性質(zhì)良好的毫秒脈沖星，其樣本的擴大、性能的提高起始于脈沖星搜索。銀河系中有大量脈沖星，但是由于其信號暗弱，易被人為電磁干擾淹沒，目前只觀測到一小部分，具有極高靈敏度的FAST望遠鏡是發(fā)現(xiàn)脈沖星的理想設(shè)備。FAST首次發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星，展示了FAST對國際低頻引力波探測做出實質(zhì)貢獻的潛力。毫秒脈沖星是每秒自轉(zhuǎn)上百次的特殊中子星，對其開展相關(guān)研究有望促進對中子星演化、奇異物質(zhì)狀態(tài)的理解。由FAST項目組策劃的FAST科研目標將發(fā)現(xiàn)大量毫秒脈沖星，大幅度提高脈沖星陣探測引力波的靈敏度。

2017年8月22日和25日，F(xiàn)AST在南天銀道面通過漂移掃描發(fā)現(xiàn)兩顆脈沖星，F(xiàn)AST研究組利用FAST早期科學(xué)中心進行數(shù)據(jù)處理，利用澳大利亞64mParkes望遠鏡進行觀測認證，目前兩顆脈沖星已通過系統(tǒng)認證。一顆編號為J1859-0131（又名FPl-FAST pulsar#1），自轉(zhuǎn)周期為1.83s。另一顆編號為J1931-01（又名FP2），自轉(zhuǎn)周期為0.59s，這是中國射電望遠鏡首次發(fā)現(xiàn)新脈沖星。截至2018年7月30日，“中國天眼”FAST已經(jīng)探測到59顆優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中已經(jīng)有43顆得到國際認證。中國天眼FAST將引領(lǐng)世界進入一個萬顆脈沖星研究、刷新宇宙認知的新時代。

4 忘我奉獻，時代楷模照后人

在南仁東辦公室的門上貼著一張老照片，這就是南仁東的遺照。在“FAST”項目工地上，他轉(zhuǎn)身回望“天眼”的那一刻被永恒定格在這張黑白照片上了，也被人們永恒地記住了。他曾說過不想成為人們的記憶，他可以忘記自己，但是人們卻要永遠記住他所做出的奉獻。

在事業(yè)上南仁東特別要強，但沒有絲毫的功利心。即便自己耗費20多年的心血才完成“天眼”這么大的項目，在評獎時他依舊是默默付出，不計名利。南仁東像是一位父親呵護自己的孩子一樣呵護著“FAST”項目，為了滿足各種技術(shù)上的需求，他總是不停地學(xué)習(xí)，從力學(xué)到測控學(xué)，再從水文學(xué)到地質(zhì)學(xué)。他總是說，在“FAST”項目面前就應(yīng)該像一名學(xué)習(xí)型的老工人一樣，走一路學(xué)一路，永無止境。

南仁東將他寶貴的20多年奉獻給了“天眼”事業(yè)。1994年他49歲時提出了“天眼”的概念，2007年南仁東62歲時“天眼”項目才被正式立項。2016年“天眼”項目落成時，他已經(jīng)是71歲高齡了，在貴州深山老林里默默奉獻20多年。2017年南仁東這三個字第一次出現(xiàn)在中國科學(xué)院院士候選人的名單上。院士候選人被推薦時一般在65歲以下，但是此時的南仁東已經(jīng)是72歲高齡了。他對推薦人說，大家的好意我心領(lǐng)了，大家就別折騰了，我是等不到那一天的。2017年9月15日，這是個令人痛惜的日子，為中國打開了“天眼”的72歲南仁東永久地閉上了雙眼。原本應(yīng)該屬于他的院士頭銜，最終還是輸給了時間，敗給了死神。

南仁東積極投身于時代的激流之中，用20多年的寶貴時間堅守夢想，以科學(xué)之魂，鑄國家利器，開中國“天眼”，樹時代楷模?！懊利惖挠钪嫣眨运纳衩睾徒k麗，召喚我們踏過平庸，進入它無垠的廣袤！”這就是南仁東一生的追求。