為“天眼”守護一方電波淨土
9月25日,被譽為“中國天眼”的500米口徑球麵射電望遠鏡(FAST)在貴州平塘建成啟用。
這是一隻超級銳利的“巨眼”。它能洞穿星雲迷霧,捕捉137億光年以外的電磁信號,探索宇宙變遷的無窮奧秘。這也是一隻極其敏感的“巨眼”。它所在之地,必須有足夠幹淨的電磁環境。在它周邊一定區域內,即使是手機發出的無線電信號,也會幹擾它的“視線”。
20多年前,中國科學家們決定選擇喀斯特地貌的天然窪地建造“天眼”,貴州無線電管理工作者領命出發,走遍省內的山山水水,尋找電磁環境最適合的“眼窩”;20多年後,當“天眼”睜開“眼簾”仰望星空,他們又開啟了新的征程,默默守護這一方電波淨土。
肩負使命
尋找電磁環境最合適的“眼窩”
自20世紀30年代一位工程師接收到來自銀河係的無線電信號以來,人類便開始使用射電天文手段觀測宇宙。然而,宇宙深處傳來的無線電波非常微弱,與此同時隨著技術的發展,地球上人工發射的無線電信號卻越來越強。1993年,在日本東京召開的國際無線電科學聯盟大會上,科學家們期望在電波環境被徹底破壞之前,建造大射電望遠鏡接收來自宇宙邊緣的無線電信號,從而弄清宇宙結構演化的奧秘。中國科學家於1994年提出利用貴州喀斯特地貌的天然窪地建造大口徑射電望遠鏡的計劃——FAST。
在科學家們看來,喀斯特地貌的窪地造型不僅能為大射電望遠鏡的碗狀外形提供現成的建設條件,而且天生具有“漏水”性,可避免設備周圍大量積水。然而,除了地形,大射電望遠鏡還有一個近乎苛刻的要求,那就是在周邊一定區域內,必須有足夠幹淨的無線電磁環境。
建成後的FAST擁有相當於30個足球場的接收麵積,還能像人類一樣,隨著天體的移動而轉動自己的眼珠——饋源艙,從而更為有效地收集天體所發射的無線電波。與此前號稱“地麵最大的機器”的德國波恩100米望遠鏡相比,其靈敏度提高約10倍;與被評為人類20世紀十大工程之首的美國“阿雷西博”305米望遠鏡相比,其綜合性能提高約10倍。然而,超高的靈敏度也意味著,在FAST周圍一定範圍內,小到數碼相機、手機、大到飛機等輻射的無線電波都會對其產生幹擾。一旦受到幹擾,FAST通過無線電波“觀測”到的數據將失去價值。
在貴州,喀斯特地貌的天然窪地比比皆是,但哪個才是FAST最合適的家呢?有時候,肉眼看著“幹淨”的荒野未必擁有足夠幹淨的電磁環境。為了滿足FAST的建設需要,必須對預選地址進行長期、持續、反複的無線電監測。這個任務落到了貴州省無線電管理機構的肩上。
肩負著國家使命,貴州省的“電波衛士”自1996年起走遍了山山水水,普查了幾十個100米直徑以上窪地的電磁環境,並對普定尚家衝、平塘大窩氹等500米直徑以上的窪地進行重點監測。
2003年7月,國家天文台將按國際標準開展的FAST電磁環境測試任務,委托給貴州省無線電管理局。這意味著監測任務比前期更加深入、全麵。貴州省無線電管理局成立了專門的監測組,於2003年12月10日正式展開測試工作。
無例可循
自研符合國際標準的監測係統
大射電電磁環境測試任務標準來自國際1平方公裏射電陣(SKA)選址委員會。該標準對測試靈敏度要求高、測試頻帶要求寬,測試時間長。對每個預選地點,需進行反複測試,數據要包括一年四季白天和夜晚,每輪測試至少要有長達20天的24小時不間斷監測。
怎麽達到測試標準?測試時間長不怕,但如何提高測試設備靈敏度,成為令人頭疼的技術難題。日常監測設備主要針對無線電通信進行監測,大射電的電磁環境監測是一個新課題。在當時,全國從未有過按國際標準進行測試的案例,也沒有這樣的針對性設備,在國內找不到可學對象,也找不到符合SKA標準的現有設備。任務來了,再硬的骨頭也得啃下。
經過對監測協議和文件的認真研究,結合十幾年從事無線電監測工作的實際經驗,按照國際選址委員會的要求,監測組製訂了一套完整的監測方案。扛著並不太符合“標準”的簡易設備,組員一頭紮進巍巍深山。
功夫不負有心人,隨著監測工作的不斷深入,監測組對項目有了新認識。一連串喜人成績在不斷研究、摸索中迸發。
2005年7月,監測組在前期監測的基礎上,成功完成大射電監測係統改造。改造後的係統性能有了很大提高,可實現24小時不間斷自動監測,數據采集可靠性強,實時性高。國際SKA項目辦公室派出國際SKA監測組,在平塘縣大窩氹按國際監測協議作了1輪電磁環境監測。似乎對“貴州製造”沒有信心,國際專家專門將貴州“電波衛士”研發的監測設備與國際監測設備作了交叉比對測試。
測試結果顯示:貴州省自動監測係統完全滿足國際SKA監測協議規定的技術條件,監測結果真實有效,可以滿足國際SKA選址的需要。至今,這套由貴州省無線電監測技術人員自主研發的係統仍是全國唯一一套符合國際標準的大射電監測係統。
從2003年12月至2006年2月,監測組先後完成在預選站址平塘縣大窩氹監測12輪次,普定縣尚家衝監測2輪次,興義市深凹塘監測1輪次,北京密雲天文觀測站監測2輪次,共計17輪次,每一輪次監測不少於二十天。在兩年的時間裏,野外工作時間長達一年。
2006年5月,監測組向國際射電天文組織提交了監測報告,得到國際專家的讚許和認可。監測成果發表在 《Experimental Astronomy》(天文學實驗)雜誌上。
2007年7月,FAST項目正式立項,選址貴州平塘“大窩氹”。
執著堅守
不畏艱難困苦換來權威數據
看似尋常最奇崛,成如容易卻艱辛。在大山裏,監測組員們秉持著韌勁和執著,用“一輩子,一件事,一個工程”的專注和堅持,記錄著一個個數據,描繪著一張張頻譜圖。
組員雷磊的電腦裏,一直保存著一組他們在“大窩氹”搭帳紮營的照片。令人過目難忘的,是照片裏一個個倔強的身影。
一輛監測車旁,一個組員踮著腳用雙手扶著監測天線。拍照的日子,應該是冬天,因為棉服穿在身上,撐著杆子的背影看起來有些笨拙,高舉的雙手已經泛紅。
一塊用棍子支撐著的塑料薄膜下,有淡淡的炊煙飄出,支起的大鍋下麵,燃燒的柴火躥出高高的火苗。這個四麵迎風的場所,是他們的廚房。
一堆石礫上,一個蓄著胡子的組員拿著一塊麵包,盤腿而坐,他的雙腳已經被黃土厚而紮實地覆蓋了滿滿一層,實在看不見鞋子的模樣。
……
由於前期監測設備自動化程度不高,全部都得靠人工操作。監測工作十分枯燥,生活也十分寂寞。監測組所有成員沒有畏懼退縮,而是互相鼓勵,在艱苦的環境中磨練意誌。
進入大窩氹,有8公裏狹窄泥路。遇到下雨天,車子無法行駛,組員在窩窩裏困上四、五天是常有的事。從監測組駐地往山下走,來回一個半小時才到金科村,這是離大窩氹最近的村莊。
老鄉們並不太明白“無線電”是什麽,但看見組員們的工作環境十分艱苦,就自發用曬穀子和搭棚子的竹席,在監測車旁為他們搭了一個簡易廚房。這群“電波衛士”把老鄉的熱情,刻在了心裏。
大山深處,充滿了清冷和寂寞。一份權威的監測數據,離不開一年四季的堅持和日日夜夜不停歇的守候。監測電磁環境需要24小時不間斷,每一班次需擊打鼠標上萬次。每一輪進山監測,至少有四個組員。兩人看白天,兩人守黑夜。
晚的時間很難熬。大窩氹的夜又特別黑,到了晚上,監測車的照明設備是深山裏唯一的光亮。即便幾個大男人待在一起,也不免感到害怕。到了冬天,寒風刺骨,守夜就更難了。白天也並不好過。守夜的人補瞌睡,常常被透過帳篷射進來的陽光弄得睡不著。
飲用水,是最大的問題。晴天,可以開車下山拉水,遇到雨天車輛無法進出,隻能喝雨水解渴。山裏的水裏全是紅線蟲,但也沒辦法,隻能靠沉澱、煮開後再飲用。想吃肉時,組員們就跟老鄉買雞,那是在大窩氹唯一吃到的美味。
每年5月下旬,到了梅雨季節,一覺醒來發現自己睡在水裏也是常有的事。
組長孫建民,幾年裏,沒有落下一輪監測工作。一次,監測工作進行了20多天,回到家,來不及刮胡子,他就興奮地跑到幼兒園。孩子第一次看見爸爸留了一臉胡子,怯生生地說:“爸爸,我都不認識你了。”孫建民心裏一緊,一股熱流湧上眼眶。而如今孩子已經長大上了大學。
一天,組員們請拖拉機手拉煤到大窩氹,趕巧不巧,車剛到就下起了大雨。雨連著下了好幾天,拖拉機手無法行駛,困在大窩氹的老鄉和組員待了兩天就堅持不住了:“吃喝也困難,手機也不能用,一點娛樂消遣的都沒得。”頂著雨,司機硬是一個人步行下了山。幾天後雨停了,他才回到大窩氹把拖拉機開走。
首屈一指
參與國際監測合作的“地方隊”
在為FAST尋找“家”的過程中,貴州監測組不斷創新工作思路,運用新知識、新經驗、新工具處理問題、解決難題,積累了豐富的經驗。2012年,我國擬在阿根廷興建40米口徑射電望遠鏡,這是我國在海外設置的第一個大口徑射電天文全實麵望遠鏡,具有重要的國際影響和深遠的戰略意義。這給項目選址提出了更高的要求。如何在多個預選址中篩選出最理想的台址,沒有別的捷徑,隻能用精準的電磁環境測試數據來說話。此時,擁有豐富監測實踐經驗的貴州“電波衛士”,再次受到中國科學院國家天文台的垂青,成為全國唯一一個參與射電天文國際監測合作的地方省級單位。
2012年4月23日,貴州省赴阿根廷電磁環境測試工作小組成員到達阿根廷聖胡安省以後,僅經過幾個小時的短暫休息,便克服時差和對氣候的不適立即投入緊張的工作中。他們用了一周的時間,就順利完成了設備檢測和對前期5個預選台址的場地勘察比較工作,並初步選定其中3個候選台址進行電磁波環境測試。
阿根廷當地時間4月28日,測試小組抵達第一測試點正式開始電磁波環境測試工作。該點位於距聖胡安市區約80公裏的一個峽穀地帶。因常年幹旱少雨,地表植被稀少,僅有仙人球、仙人掌和低矮耐旱植物,地貌呈碎石戈壁狀。
4月,正值阿根廷初冬季節,晝夜溫差大。白天陽光強烈,氣溫可達15攝氏度左右,夜間氣溫則下降至3~5攝氏度,十分寒冷。由於地質環境所限,峽穀荒無人煙,無水、無電、無通信,工作環境相當惡劣。
憑借在貴州家鄉野外監測積累的工作經驗,組員們住帳篷、吃幹糧、忍寒冷,憑著頑強的毅力和執著追求,堅持每天24小時不間斷測試。
這種精神甚至感動了一起工作的國家天文台CART項目組和聖胡安大學OAFA天文台的工作人員,並得到他們的高度讚許。
科學的測試結果為最終選址提供了重要依據。國家天文台向貴州省無線電監測組頒發了“技藝精湛顯實力,中阿合作立新功”錦旗,對監測技術人員給予了充分的肯定。
異國他鄉,工作雖苦,但監測組組員們經常苦中作樂。戈壁的夜晚,星雲密布,組員們開玩笑說:“星星太多了,有密集恐懼症的人,大晚上看到還是挺害怕的。”
他們知道,地處南半球的阿根廷和位於北半球的中國,看到的星體並不一樣。北邊,有祖國,有家還有等待他們繼續為之護航的全球最大的射電望遠鏡。
繼續前行
推動立法常態保護電波寧靜區
從選定地址開始,到項目開工建設,再到建成啟用,貴州“電波衛士”始終不忘初心,嚴密守護著“天眼”及周邊的電磁環境。
在“天眼”建成之前,在大量調研和掌握海量科學有效的電磁環境監測數據的基礎上,貴州省無線電管理局在2013年推動出台了《貴州省500米口徑球麵射電望遠鏡電磁波寧靜區保護辦法》,對電磁波寧靜區劃分和保護標準等都作了明確規定,為世界最大射電望遠鏡的建設及建成後的安全運行撐起“保護傘”。
《辦法》實施後,貴州省無線電管理局嚴格按照電磁波寧靜區內核心區和協調區的管理規定,製定了無線電台站核查清理和保護性監測計劃,依法對寧靜區內無線電台站進行全麵清理,並開展每月1次的保護性監測。為大射電望遠鏡量身定製的FAST電磁環境保護性監測站正在加緊施工。建成後,將與貴州省無線電監測中心聯網運行,全天候為“天眼”順利運行護航。
貴州省無線電管理局還依法組織開展大射電周邊高速公路、機場、水電站、輸變電線路等建設項目電磁環境兼容性分析論證,防止對大射電造成幹擾。現正在開工建設的貴州省平塘至羅甸段平羅高速工程項目,是貴州省委省政府加快交通基礎設施建設,改變交通落後麵貌的重大項目。然而,根據規劃設計路線,平羅高速公路距離望遠鏡台址5~10公裏,正處於協調區內。貴州省無管局為此專門召開電磁兼容評估論證會,提出了優化路線設計,在必要路段采取消除幹擾措施,並建立長效協調機製等工作要求。不僅避免了平羅高速公路建設項目因改道繞行而導致成本增加、工期延長、不能按時開工建設等不利影響,也為FAST電磁環境實施了有效保護。
到目前為止,“天眼”電磁波寧靜區內沒有出現一起無線電幹擾事件。然而,隨著地方經濟社會的快速發展和“天眼”旅遊景區景點的對外開放,遊客紛至遝來。顯而易見,無線電設備會越來越多,周邊的電磁環境也將日益複雜。“天眼”開了,人類和宇宙的距離又近了一步,而“電波衛士”們肩上的擔子更重了。前方海闊天高,他們仍在路上。