为“天眼”守护一方电波净土
9月25日,被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)在贵州平塘建成启用。
这是一只超级锐利的“巨眼”。它能洞穿星云迷雾,捕捉137亿光年以外的电磁信号,探索宇宙变迁的无穷奥秘。这也是一只极其敏感的“巨眼”。它所在之地,必须有足够干净的电磁环境。在它周边一定区域内,即使是手机发出的无线电信号,也会干扰它的“视线”。
20多年前,中国科学家们决定选择喀斯特地貌的天然洼地建造“天眼”,贵州无线电管理工作者领命出发,走遍省内的山山水水,寻找电磁环境最适合的“眼窝”;20多年后,当“天眼”睁开“眼帘”仰望星空,他们又开启了新的征程,默默守护这一方电波净土。
肩负使命
寻找电磁环境最合适的“眼窝”
自20世纪30年代一位工程师接收到来自银河系的无线电信号以来,人类便开始使用射电天文手段观测宇宙。然而,宇宙深处传来的无线电波非常微弱,与此同时随着技术的发展,地球上人工发射的无线电信号却越来越强。1993年,在日本东京召开的国际无线电科学联盟大会上,科学家们期望在电波环境被彻底破坏之前,建造大射电望远镜接收来自宇宙边缘的无线电信号,从而弄清宇宙结构演化的奥秘。中国科学家于1994年提出利用贵州喀斯特地貌的天然洼地建造大口径射电望远镜的计划——FAST。
在科学家们看来,喀斯特地貌的洼地造型不仅能为大射电望远镜的碗状外形提供现成的建设条件,而且天生具有“漏水”性,可避免设备周围大量积水。然而,除了地形,大射电望远镜还有一个近乎苛刻的要求,那就是在周边一定区域内,必须有足够干净的无线电磁环境。
建成后的FAST拥有相当于30个足球场的接收面积,还能像人类一样,随着天体的移动而转动自己的眼珠——馈源舱,从而更为有效地收集天体所发射的无线电波。与此前号称“地面最大的机器”的德国波恩100米望远镜相比,其灵敏度提高约10倍;与被评为人类20世纪十大工程之首的美国“阿雷西博”305米望远镜相比,其综合性能提高约10倍。然而,超高的灵敏度也意味着,在FAST周围一定范围内,小到数码相机、手机、大到飞机等辐射的无线电波都会对其产生干扰。一旦受到干扰,FAST通过无线电波“观测”到的数据将失去价值。
在贵州,喀斯特地貌的天然洼地比比皆是,但哪个才是FAST最合适的家呢?有时候,肉眼看着“干净”的荒野未必拥有足够干净的电磁环境。为了满足FAST的建设需要,必须对预选地址进行长期、持续、反复的无线电监测。这个任务落到了贵州省无线电管理机构的肩上。
肩负着国家使命,贵州省的“电波卫士”自1996年起走遍了山山水水,普查了几十个100米直径以上洼地的电磁环境,并对普定尚家冲、平塘大窝凼等500米直径以上的洼地进行重点监测。
2003年7月,国家天文台将按国际标准开展的FAST电磁环境测试任务,委托给贵州省无线电管理局。这意味着监测任务比前期更加深入、全面。贵州省无线电管理局成立了专门的监测组,于2003年12月10日正式展开测试工作。
无例可循
自研符合国际标准的监测系统
大射电电磁环境测试任务标准来自国际1平方公里射电阵(SKA)选址委员会。该标准对测试灵敏度要求高、测试频带要求宽,测试时间长。对每个预选地点,需进行反复测试,数据要包括一年四季白天和夜晚,每轮测试至少要有长达20天的24小时不间断监测。
怎么达到测试标准?测试时间长不怕,但如何提高测试设备灵敏度,成为令人头疼的技术难题。日常监测设备主要针对无线电通信进行监测,大射电的电磁环境监测是一个新课题。在当时,全国从未有过按国际标准进行测试的案例,也没有这样的针对性设备,在国内找不到可学对象,也找不到符合SKA标准的现有设备。任务来了,再硬的骨头也得啃下。
经过对监测协议和文件的认真研究,结合十几年从事无线电监测工作的实际经验,按照国际选址委员会的要求,监测组制订了一套完整的监测方案。扛着并不太符合“标准”的简易设备,组员一头扎进巍巍深山。
功夫不负有心人,随着监测工作的不断深入,监测组对项目有了新认识。一连串喜人成绩在不断研究、摸索中迸发。
2005年7月,监测组在前期监测的基础上,成功完成大射电监测系统改造。改造后的系统性能有了很大提高,可实现24小时不间断自动监测,数据采集可靠性强,实时性高。国际SKA项目办公室派出国际SKA监测组,在平塘县大窝凼按国际监测协议作了1轮电磁环境监测。似乎对“贵州制造”没有信心,国际专家专门将贵州“电波卫士”研发的监测设备与国际监测设备作了交叉比对测试。
测试结果显示:贵州省自动监测系统完全满足国际SKA监测协议规定的技术条件,监测结果真实有效,可以满足国际SKA选址的需要。至今,这套由贵州省无线电监测技术人员自主研发的系统仍是全国唯一一套符合国际标准的大射电监测系统。
从2003年12月至2006年2月,监测组先后完成在预选站址平塘县大窝凼监测12轮次,普定县尚家冲监测2轮次,兴义市深凹塘监测1轮次,北京密云天文观测站监测2轮次,共计17轮次,每一轮次监测不少于二十天。在两年的时间里,野外工作时间长达一年。
2006年5月,监测组向国际射电天文组织提交了监测报告,得到国际专家的赞许和认可。监测成果发表在 《Experimental Astronomy》(天文学实验)杂志上。
2007年7月,FAST项目正式立项,选址贵州平塘“大窝凼”。
执着坚守
不畏艰难困苦换来权威数据
看似寻常最奇崛,成如容易却艰辛。在大山里,监测组员们秉持着韧劲和执着,用“一辈子,一件事,一个工程”的专注和坚持,记录着一个个数据,描绘着一张张频谱图。
组员雷磊的电脑里,一直保存着一组他们在“大窝凼”搭帐扎营的照片。令人过目难忘的,是照片里一个个倔强的身影。
一辆监测车旁,一个组员踮着脚用双手扶着监测天线。拍照的日子,应该是冬天,因为棉服穿在身上,撑着杆子的背影看起来有些笨拙,高举的双手已经泛红。
一块用棍子支撑着的塑料薄膜下,有淡淡的炊烟飘出,支起的大锅下面,燃烧的柴火蹿出高高的火苗。这个四面迎风的场所,是他们的厨房。
一堆石砾上,一个蓄着胡子的组员拿着一块面包,盘腿而坐,他的双脚已经被黄土厚而扎实地覆盖了满满一层,实在看不见鞋子的模样。
……
由于前期监测设备自动化程度不高,全部都得靠人工操作。监测工作十分枯燥,生活也十分寂寞。监测组所有成员没有畏惧退缩,而是互相鼓励,在艰苦的环境中磨练意志。
进入大窝凼,有8公里狭窄泥路。遇到下雨天,车子无法行驶,组员在窝窝里困上四、五天是常有的事。从监测组驻地往山下走,来回一个半小时才到金科村,这是离大窝凼最近的村庄。
老乡们并不太明白“无线电”是什么,但看见组员们的工作环境十分艰苦,就自发用晒谷子和搭棚子的竹席,在监测车旁为他们搭了一个简易厨房。这群“电波卫士”把老乡的热情,刻在了心里。
大山深处,充满了清冷和寂寞。一份权威的监测数据,离不开一年四季的坚持和日日夜夜不停歇的守候。监测电磁环境需要24小时不间断,每一班次需击打鼠标上万次。每一轮进山监测,至少有四个组员。两人看白天,两人守黑夜。
晚的时间很难熬。大窝凼的夜又特别黑,到了晚上,监测车的照明设备是深山里唯一的光亮。即便几个大男人待在一起,也不免感到害怕。到了冬天,寒风刺骨,守夜就更难了。白天也并不好过。守夜的人补瞌睡,常常被透过帐篷射进来的阳光弄得睡不着。
饮用水,是最大的问题。晴天,可以开车下山拉水,遇到雨天车辆无法进出,只能喝雨水解渴。山里的水里全是红线虫,但也没办法,只能靠沉淀、煮开后再饮用。想吃肉时,组员们就跟老乡买鸡,那是在大窝凼唯一吃到的美味。
每年5月下旬,到了梅雨季节,一觉醒来发现自己睡在水里也是常有的事。
组长孙建民,几年里,没有落下一轮监测工作。一次,监测工作进行了20多天,回到家,来不及刮胡子,他就兴奋地跑到幼儿园。孩子第一次看见爸爸留了一脸胡子,怯生生地说:“爸爸,我都不认识你了。”孙建民心里一紧,一股热流涌上眼眶。而如今孩子已经长大上了大学。
一天,组员们请拖拉机手拉煤到大窝凼,赶巧不巧,车刚到就下起了大雨。雨连着下了好几天,拖拉机手无法行驶,困在大窝凼的老乡和组员待了两天就坚持不住了:“吃喝也困难,手机也不能用,一点娱乐消遣的都没得。”顶着雨,司机硬是一个人步行下了山。几天后雨停了,他才回到大窝凼把拖拉机开走。
首屈一指
参与国际监测合作的“地方队”
在为FAST寻找“家”的过程中,贵州监测组不断创新工作思路,运用新知识、新经验、新工具处理问题、解决难题,积累了丰富的经验。2012年,我国拟在阿根廷兴建40米口径射电望远镜,这是我国在海外设置的第一个大口径射电天文全实面望远镜,具有重要的国际影响和深远的战略意义。这给项目选址提出了更高的要求。如何在多个预选址中筛选出最理想的台址,没有别的捷径,只能用精准的电磁环境测试数据来说话。此时,拥有丰富监测实践经验的贵州“电波卫士”,再次受到中国科学院国家天文台的垂青,成为全国唯一一个参与射电天文国际监测合作的地方省级单位。
2012年4月23日,贵州省赴阿根廷电磁环境测试工作小组成员到达阿根廷圣胡安省以后,仅经过几个小时的短暂休息,便克服时差和对气候的不适立即投入紧张的工作中。他们用了一周的时间,就顺利完成了设备检测和对前期5个预选台址的场地勘察比较工作,并初步选定其中3个候选台址进行电磁波环境测试。
阿根廷当地时间4月28日,测试小组抵达第一测试点正式开始电磁波环境测试工作。该点位于距圣胡安市区约80公里的一个峡谷地带。因常年干旱少雨,地表植被稀少,仅有仙人球、仙人掌和低矮耐旱植物,地貌呈碎石戈壁状。
4月,正值阿根廷初冬季节,昼夜温差大。白天阳光强烈,气温可达15摄氏度左右,夜间气温则下降至3~5摄氏度,十分寒冷。由于地质环境所限,峡谷荒无人烟,无水、无电、无通信,工作环境相当恶劣。
凭借在贵州家乡野外监测积累的工作经验,组员们住帐篷、吃干粮、忍寒冷,凭着顽强的毅力和执着追求,坚持每天24小时不间断测试。
这种精神甚至感动了一起工作的国家天文台CART项目组和圣胡安大学OAFA天文台的工作人员,并得到他们的高度赞许。
科学的测试结果为最终选址提供了重要依据。国家天文台向贵州省无线电监测组颁发了“技艺精湛显实力,中阿合作立新功”锦旗,对监测技术人员给予了充分的肯定。
异国他乡,工作虽苦,但监测组组员们经常苦中作乐。戈壁的夜晚,星云密布,组员们开玩笑说:“星星太多了,有密集恐惧症的人,大晚上看到还是挺害怕的。”
他们知道,地处南半球的阿根廷和位于北半球的中国,看到的星体并不一样。北边,有祖国,有家还有等待他们继续为之护航的全球最大的射电望远镜。
继续前行
推动立法常态保护电波宁静区
从选定地址开始,到项目开工建设,再到建成启用,贵州“电波卫士”始终不忘初心,严密守护着“天眼”及周边的电磁环境。
在“天眼”建成之前,在大量调研和掌握海量科学有效的电磁环境监测数据的基础上,贵州省无线电管理局在2013年推动出台了《贵州省500米口径球面射电望远镜电磁波宁静区保护办法》,对电磁波宁静区划分和保护标准等都作了明确规定,为世界最大射电望远镜的建设及建成后的安全运行撑起“保护伞”。
《办法》实施后,贵州省无线电管理局严格按照电磁波宁静区内核心区和协调区的管理规定,制定了无线电台站核查清理和保护性监测计划,依法对宁静区内无线电台站进行全面清理,并开展每月1次的保护性监测。为大射电望远镜量身定制的FAST电磁环境保护性监测站正在加紧施工。建成后,将与贵州省无线电监测中心联网运行,全天候为“天眼”顺利运行护航。
贵州省无线电管理局还依法组织开展大射电周边高速公路、机场、水电站、输变电线路等建设项目电磁环境兼容性分析论证,防止对大射电造成干扰。现正在开工建设的贵州省平塘至罗甸段平罗高速工程项目,是贵州省委省政府加快交通基础设施建设,改变交通落后面貌的重大项目。然而,根据规划设计路线,平罗高速公路距离望远镜台址5~10公里,正处于协调区内。贵州省无管局为此专门召开电磁兼容评估论证会,提出了优化路线设计,在必要路段采取消除干扰措施,并建立长效协调机制等工作要求。不仅避免了平罗高速公路建设项目因改道绕行而导致成本增加、工期延长、不能按时开工建设等不利影响,也为FAST电磁环境实施了有效保护。
到目前为止,“天眼”电磁波宁静区内没有出现一起无线电干扰事件。然而,随着地方经济社会的快速发展和“天眼”旅游景区景点的对外开放,游客纷至沓来。显而易见,无线电设备会越来越多,周边的电磁环境也将日益复杂。“天眼”开了,人类和宇宙的距离又近了一步,而“电波卫士”们肩上的担子更重了。前方海阔天高,他们仍在路上。