南仁东：打造“中国天眼”的天文学家

侯新杰 王超

FAST工程是“中国天眼”项目的简称。FAST是500米单口径射电望远镜（five-hundred-meter aperture spherical radio telescope）的英文缩写，是目前世界上最大的射电望远镜。FAST工程是南仁东先生用生命成就的国家骄傲。从1994年“天眼”概念的提出到2016年“天眼”项目的完成，南仁东带领团队用了20多年的时间完成“天眼”的建设，解决了我国射电天文研究方面的需求，为我国在射电天文方面的国际交流与合作贡献了毕生心血。我们通过此文回顾南仁东的求学经历、科研历程、立志回国建造中国新一代射电望远镜和献身“中国天眼”建设的动人事迹。

1 求学经历，赤子雄心志千里

南仁东出生于1945年，籍贯是吉林省辽源市龙山区，满族人。他6岁在辽源中兴小学读书，12岁上辽源市第四初级中学，15岁上辽源市第五高级中学，他学习非常努力，多次获得学校的表扬。

1963年，南仁东在高考中一举夺得省理科状元，是当地近10年仅有的一个清华才子。然而清华高才生的喜悦很快又消失了，由于他太优秀了，他的分数超过当年的录取分50多分，当时的中国又缺少无线电方面的研究，清华大学把南仁东从他喜欢的建筑系调剂到了无线电专业。对于学校的决定，他情绪有过失落，甚至想过放弃学业。但最后他调整了自己的心态，服从了学校的决定，他在清华大学读完了本科。我们在为祖国减少了一位建筑工程师而感到遗憾的同时，也为祖国增加了一位优秀的天文学家而庆幸。他在清华大学读本科期间，周恩来总理来清华大学视察，他是被周总理点名发言的学生代表。这次的发言让他记忆了一生，他立志要像周总理一样，为中华民族在天文领域的崛起而努力。

清华大学本科毕业后，南仁东回到了老家吉林，在老家的无线电厂上了将近10年的班。1977年，他依靠个人努力考进中国科学院，从1978年到1987年的9年时间里，师从王绶琯院士，并获得硕士和博士学位。

1984年，南仁东开始运用国际甚长基线网对活动星系核进行系统观测和研究。1985年到1987年，南仁东在荷兰德云格勒天文台访学，后来，他又先后在加拿大、美国、英国、意大利及日本等国家天文机构进行客座研究。1987年与1988年在荷兰Dwingeloo天文台与意大利Bologna射电天文研究所访学期间，他带领团队成功进行了欧洲及全球网十几次的观察实验，他是全球第一个采用VLBI（英文very long baseline interferometry的缩写，译为甚长基线干涉测量）“快拍”模式的科学家。在VLBI50cm24个致密陡谱源的观察研究中，他采用了“快拍”模式（snap-shot mode）进行观测。快拍与连续跟踪观测之间的区别是前者在短时间内对选定目标进行观测，然后改变跟踪指向，一定时间后再重新对这一源作另一次短时间观测，在分配到的固定观测时间内可以得到比较散布的覆盖，可以等效延长观测时间，而后者不具备这种功能。1989年，南仁东在北京天文台研究了合并甚长基线与综合孔径系统观测数据的方法。他以3C343全球VLBI网18cm观测数据的处理为例，用这种方法改善VLBI在源的扩展结构部分成图的质量，处理结果表明合并后数据所产生的混合图给出更为可靠的源结构描述。1989年，南仁东在美国加州技术研究所进行相关数据处理时，发现快拍观测模式所获得的UV数据远少于取样率的低限值，这给VLBI数据处理软件的常规使用带来了麻烦，他提出了针对残缺UV数据的成图技术的自校准处理方法。自校准处理方法的目的就是在连续的迭代过程中修正误差，以使洁化过程的真实综合束接近理想综合束。他创新VLBI偏振观测技术方法，提出的3C119多频率偏振课题在美国甚长基线阵（VLBA）运行后立即被接受，获得该源毫角秒空间尺度的偏振和磁场精细结构，揭示了浓密介质限制喷流形成大尺度的机制。由于他在VLBI领域多年研究的突出成果得到同行赞誉，担任日美空间计划VSOP在轨检测IOC组长。

2 放弃国外高薪，立志回报祖国

1993年，全球无线电科学家联盟大会在日本召开，当时全球该领域的专家都来到日本。在这次大会上大家提出倡议，建造新型射电望远镜来获取外太空的信息。当时的南仁东在日本国立天文台担任客座教授。当他听到这个消息兴奋地说道：“中国为什么不能做一个呢？我要为我的祖国也建一个！”从此以后，他的后半生就彻底献给祖国的天文学事业，他的人生再也没有偏离过“建造中国新一代射电望远镜”的轨道，这一坚持就是一辈子。

在20世纪90年代的中国大地上，谈“收集太空信息，探究宇宙生命”，这几乎是痴人说梦，让人难以置信。然而南仁东却对这神秘的太空充满无限的向往，对于自己的想法，他说干就干。他开始运用自己的一切办法，去搜集国际上关于这个领域的最前沿的科研动态。在对这一领域有所了解后，他就决定要回到祖国。日本为了挽留他，给他提供全球最先进的科研条件，让他为日本建造新一代射电望远镜，被他拒绝了。日本又提出给他高出国内300多倍的薪资待遇。即使知道回国后一年的工资也只是在国外工作一天的工资，他毅然决定回到祖国。全球最先进的科研条件和高得离谱的薪资待遇这双重诱惑，也难挡南仁东的一心归国志。他说：“我的祖国需要有知识。”

3 矢志不渝，历历星河二十载

20世纪末，我国的射电望远镜技术还处于刚刚起步阶段，很多技术尚不成熟，最大的口径也只有20多米。南仁东却“扬言”要打造一个全球最大的射电望远镜。1994年7月，面对大家的无知误解与冷嘲热讽，南仁东向中国科学界提出“天眼”这一超出大家想象的概念，紧接着他就开始了为“天眼”寻找台址的工作。这一找就是漫长的12年。

从1994年起，南仁东着手选址工作。通过对球面体望远镜的研究，结合我国的地理情况，南仁东认为要想建成500m级别的超大型口径望远镜，就应该选用喀斯特洼地当做望远镜的台址。选址的艰辛难以形容。为了给这个“大家伙”选一个合适的台址，南仁东跋山涉水在云贵地区的深山老林中。他借助卫星遥感技术，又实地勘察了1000多个洼地，并对这些洼地进行全方位多角度的评比。单单为“天眼”选一个合适的台址，就耗尽了南仁东的12个春秋。在选址过程中，为获取最直接最准确的信息，方便下一步的对比筛选工作，50多岁的南仁东一头扎进贵州的深山老林里。他每天凭借着两根竹竿当拐杖，在没有道路的区域翻山越岭。他的选址理念就是一定要到第一现场去，只有对第一现场非常清楚，才能确定是否适合作为台址。无论是悬崖峭壁还是峻峭险峰，他都坚持一定要亲自去勘察，完全不顾及自己的年龄。在一次去现场勘查的途中，南仁东在下窝凼的过程中，天气突然转阴，紧接着就下起了瓢泼大雨。在山里生活过的人都非常清楚，暴雨天气窝凼里极易存水，同时山洪也很快就会冲下来了。他赶快从口袋里摸出几粒救心丸塞进嘴里，往垭口跑，赶到垭口时已经是全身湿透了。还有一次，南仁东实地考察一处窝凼。在窝凼底部勘查后，他想从高处勘查一下窝凼的整体情况。在攀登顶峰的过程中，他差点跌入山崖。值得庆幸的是他被两棵树挡住了。20世纪90年代的中国，由于经济条件的限制，国家没办法给天眼项目提供太多的科研经费。他就全世界的跑赞助，找合作伙伴。为了突破技术的束缚，寻求技术方面的合作，他不顾自己年龄的问题，坐着火车在中国大地上从东跑到西，再从南跑到北，就这样几乎跑遍了与“天眼”项目有技术关联的各大名校和科研院所。南仁东还通过自己在国际上的影响，设法参加国外的学术会议，寻求国际上的支持与帮助。从一开始大家都不愿意趟这趟浑水，到后来开始有单位关注“天眼”项目并表示支持，再到后来合作单位逐渐增加。到最后的时候，与“天眼”项目签约合作的单位多达20多家。

为了中国的天文事业，也为了自己的梦想，南仁东坚持走别人不能坚持的道路。正常从事科学研究的人在没名分，没人员，没经费的情况下总会考虑是否能继续走下去，但是他却要一板一眼认认真真地往下走。

2007年7月，经过国际评审和国内评审一致通过后，国家对“FAST”工程批准立项。在项目建设的开始阶段，经费依旧是处于紧张状态。南仁东为了节省开支，每次都是坐着当时最便宜的绿皮火车在贵州与北京之间往返着，而且一坐就是四十多个小时。此时的南仁东已经六十多岁了。在建设过程中，南仁东待在贵州的深山老林里，和大家一起守着工地，一起住着活动简易房，一起吃着食堂。有时他忙于工作去食堂比较晚，食堂没有饭了，他就把馒头泡到剩菜汤里兑点白开水凑合吃一顿。有一次做饭的阿姨看见后要给他煎个鸡蛋，他坚决不同意，他说自己不能搞特殊。

“FAST”项目从最初期的设计，到后来的制造，再到最后的安装，在技术上突破了3项重要的创新点。第一点，找到体积、形状、工程、水文和地质都适合作望远镜的台址的喀斯特洼坑；第二点，建成500m口径的主动反射面球冠，通过主动控制在观测方向形成300m口径瞬时抛物面，将电磁波汇聚在焦点上，实现宽频带观测；第三点，500m空降尺度，通过6根钢索解决焦点处的接收机与反射面之间的联接问题，同时又借助精调机器人来抵消由于钢索的震动而造成的误差，从而实现了高精度的指向跟踪。

2014年，在安装“天眼”的反射面单元时，由于受到地形条件的限制，需要进行空中吊装。此时的南仁东已经接近七十岁的高龄了，但是为确保工作的安全性和可行性，他依然决定要做第一个被悬吊在高空进行作业的“小飞人”。为了完成这次测试，他被悬挂在没有任何物体可以接触的高空进行作业，一场测试下来他全身跟刚洗完澡一样全是汗水。

2016年9月25日，“中国天眼”落成试用。就在同年的下半年，南仁东被确诊为肺癌。在进行手术时，他的声带也受到了影响。就在这种情况下，他完全不顾自己的身体状况，仍然坚持从北京飞往贵州的试验基地，他说要为“天眼”项目的正式运行站好最后一班岗。FAST是由我国自主研发的，全球最大的灵敏度最高、综合性能最强的单口径望远镜。

在灵敏度方面，它是号称“地面最大机器”的德国波恩100m望远镜的10倍；在综合性能方面，它同样是被评为20世纪10大工程之首的美国Arecibo300m望远镜的10倍。按当前科技的发展速度，FAST使中国在未来20～30年在最大单口径望远镜项目上保持世界一流设备地位。

“中国天眼”是一个多学科基础研究平台。巡视宇宙中的中性氢是FAST的科研目标之一。中性原子氢（Hl）是星际介质的主要成分，当中性氢原子中的电子和质子发生跃迁时，就会产生频率为1.4204057517667GHz（波长约合21cm）的超精细结构跃迁谱线。中性氢的21cm谱线辐射是示踪星系结构、运动和动力学演化的有力工具，也是勾勒银河系旋臂走向的重要途径。FAST可以精细地解析出中性氢的21cm谱线的速度特征，这将使星系动力学、星系演化等方面的研究获得更大的进步。搜索脉冲星也是FAST的核心科研目标。脉冲星诞生于大质量恒星耗尽其燃料后的超新星爆发。一般认为，质量为825个太阳质量的恒星，在其演化末期超新星爆发后将形成脉冲星，脉冲星的密度比原子核还要高。脉冲星具有非常强的引力场，也具有非常强的磁场。因此脉冲星是验证强引力场、强磁场、高密度等极端物理环境下物理规律的“天然实验室”。例如脉冲星在引力波科学上起到了很重要的作用。1974年，天文学家Hulse和Taylor发现了，PSRBl917+16的脉冲星，并且认定这是一对双星，这对双星的运动速度很快，达到了450km/s；在这个系统的运动中显现出了广义相对论效应，如轨道的进动，以及电磁波在引力场中传播的延迟。在进一步的观测中，他们发现这对双星的轨道在不断缩小，频率不断上升，并且确认，这是由于引力波辐射所导致的能量损失，这两位科学家于1993年获得了诺贝尔物理学奖。

脉冲星搜索是进行引力波探测研究的基础，脉冲星计时阵是观测超大质量双黑洞发出的引力波的最有效方法。脉冲星计时阵依赖数十颗计时性质良好的毫秒脉冲星，其样本的扩大、性能的提高起始于脉冲星搜索。银河系中有大量脉冲星，但是由于其信号暗弱，易被人为电磁干扰淹没，目前只观测到一小部分，具有极高灵敏度的FAST望远镜是发现脉冲星的理想设备。FAST首次发现毫秒脉冲星，展示了FAST对国际低频引力波探测做出实质贡献的潜力。毫秒脉冲星是每秒自转上百次的特殊中子星，对其开展相关研究有望促进对中子星演化、奇异物质状态的理解。由FAST项目组策划的FAST科研目标将发现大量毫秒脉冲星，大幅度提高脉冲星阵探测引力波的灵敏度。

2017年8月22日和25日，FAST在南天银道面通过漂移扫描发现两颗脉冲星，FAST研究组利用FAST早期科学中心进行数据处理，利用澳大利亚64mParkes望远镜进行观测认证，目前两颗脉冲星已通过系统认证。一颗编号为J1859-0131（又名FPl-FAST pulsar#1），自转周期为1.83s。另一颗编号为J1931-01（又名FP2），自转周期为0.59s，这是中国射电望远镜首次发现新脉冲星。截至2018年7月30日，“中国天眼”FAST已经探测到59颗优质脉冲星候选体，其中已经有43颗得到国际认证。中国天眼FAST将引领世界进入一个万颗脉冲星研究、刷新宇宙认知的新时代。

4 忘我奉献，时代楷模照后人

在南仁东办公室的门上贴着一张老照片，这就是南仁东的遗照。在“FAST”项目工地上，他转身回望“天眼”的那一刻被永恒定格在这张黑白照片上了，也被人们永恒地记住了。他曾说过不想成为人们的记忆，他可以忘记自己，但是人们却要永远记住他所做出的奉献。

在事业上南仁东特别要强，但没有丝毫的功利心。即便自己耗费20多年的心血才完成“天眼”这么大的项目，在评奖时他依旧是默默付出，不计名利。南仁东像是一位父亲呵护自己的孩子一样呵护着“FAST”项目，为了满足各种技术上的需求，他总是不停地学习，从力学到测控学，再从水文学到地质学。他总是说，在“FAST”项目面前就应该像一名学习型的老工人一样，走一路学一路，永无止境。

南仁东将他宝贵的20多年奉献给了“天眼”事业。1994年他49岁时提出了“天眼”的概念，2007年南仁东62岁时“天眼”项目才被正式立项。2016年“天眼”项目落成时，他已经是71岁高龄了，在贵州深山老林里默默奉献20多年。2017年南仁东这三个字第一次出现在中国科学院院士候选人的名单上。院士候选人被推荐时一般在65岁以下，但是此时的南仁东已经是72岁高龄了。他对推荐人说，大家的好意我心领了，大家就别折腾了，我是等不到那一天的。2017年9月15日，这是个令人痛惜的日子，为中国打开了“天眼”的72岁南仁东永久地闭上了双眼。原本应该属于他的院士头衔，最终还是输给了时间，败给了死神。

南仁东积极投身于时代的激流之中，用20多年的宝贵时间坚守梦想，以科学之魂，铸国家利器，开中国“天眼”，树时代楷模。“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！”这就是南仁东一生的追求。