2021年04月13日 星期二
美国“闭眼”后,中国天眼正式向全球开放!
第13版:天眼 世界“巨眼” 2021-04-05

美国“闭眼”后,中国天眼正式向全球开放!

陈冰

2016 年6 月27 日拍摄的“中国天眼”(检修期间拍摄)。

2020 年12 月1 日,位于美国海外属地波多黎各的美国阿雷西博望远镜因结构失控而垮塌。

旅行者1 号在距离地球64 亿公里外最后一次回望地球时,拍下了一张著名的太阳系全家福照片——暗淡蓝点。

中国科学院FAST 重点实验室的一个天文学家团队报告显示:在明亮球状星团NGC 6205(也称为M13)中探测到了一颗新的毫秒脉冲星。

科幻电影《星际穿越》中名叫卡冈都亚的黑洞,被电影导演诺兰和电影的编剧之一兼科学顾问索恩想像并通过电脑特效制作出来。

3 月27 日,FAST 首席科学家李菂在上海科技馆举办的上海科普大讲坛上讲述了科学家与射电望远镜的那些事儿。

能刺穿“光年之外”,刷新宇宙深空的天图;能巡视宇宙大爆炸“踪迹”,洞悉宇宙“前世”……“中国天眼”的建成、运行,不仅开启了中国人“睁眼看宇宙” 的新征程,也使得人类向宇宙未知地带探索的眼力更加深邃、眼界更加开阔。可以毫不夸张地说:FAST 未来二三十年都会保持世界第一,至少是世界一流地位的。

记者|陈 冰

曾经,地球有“两只眼” 看向外太空,一只是位于美国的阿雷西博射电望远镜,水星自转、双中子星等一系列发现在天文探测史上留下了浓墨重彩的一笔。阿雷西博也在一定程度上给我们提供了一个新的宇宙观和世界观。另一只就是位于中国贵州的“中国天眼”(FAST),首颗脉冲星的发现带来了宇宙深处的声音,“多科学目标漂移扫描巡天(CRAFTS)”发现新高色散快速射电暴……

不幸的是,对射电天文学的重要发现以及行星和太阳系的研究贡献巨大的阿雷西博射电望远镜,于2020 年12 月1 日突然坍塌,悲剧性地离开了历史舞台。“失去阿雷西博,就失去了一天24 小时监控微弱无线电信号的能力,现在我们只有一只眼睛了。” 世界科研人员看向地外天体的眼睛“瞎” 了一只,全球天文学家不约而同地都将目光转向了中国天眼FAST。

3 月31 日起,中国正式向国际科学家开放FAST。从3 月31 日0 时起,向全球天文学家征集观测申请。7 月20 日,公布评审结果,8 月1 日起,开始安排FAST 观测时间。预计分配给国外科学家的观测时间约占10%。中国“天眼”将成为世界“巨眼”。

中国天眼,厉害在哪?

FAST 英文全称为“Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope”,汉语即“500 米口径球面射电望远镜”。历时5 年半工期,总造价高达11.5 亿元人民币。

500 米口径,是它最引以为豪的地方。因为理论上讲,所有天文望远镜口径越大越好,就跟接收卫星信号的天线锅一个样,越大越牛!

拥有500 米口径的FAST,坐拥多个世界之最——最大单口径望远镜、最大射电望远镜、最具威力的单天线射电望远镜。它有4500 块主动反射面,通过2225 个连接节点连接。有30 吨重的悬吊精控馈源舱,有6 座超过百米的支撑塔和超过10 万根光纤……

这是什么概念呢?它的接收面积相当于30 个足球场那么大!它的观测能力是号称“地面最大机器”——德国波恩100米望远镜的10 倍,是号称“20 世纪全球十大工程之首”——美国阿雷西博300米望远镜的2.25倍。所以,可以毫不夸张地说:FAST未来二三十年都会保持世界第一,至少是世界一流地位的。

能刺穿“光年之外”,刷新宇宙深空的天图;能巡视宇宙大爆炸“踪迹”,洞悉宇宙“前世”……“中国天眼” 的建成、运行,不仅开启了中国人“睁眼看宇宙” 的新征程,也使得人类向宇宙未知地带探索的眼力更加深邃、眼界更加开阔。

与美国的“凤凰” 计划相比,“中国天眼” 可将类太阳星巡视目标扩大至少5 倍。

据中科院国家天文台研究员、“中国天眼” 首席科学家李菂介绍,“天眼” 在很多领域具备超强“发现力”:发现气体星系的数量有望在过去的基础上提高10 倍,发现的脉冲星数量有望翻倍,有望发现新的星际分子……这使它可以验证很多科学规律,在引力理论,星系演化,恒星、行星乃至物质和生命的起源等方面,都具备突破的潜力。

从2017 年10 月,首次发现2 颗新脉冲星,到试运行结束,公布发现102 颗脉冲星,到一跃突破300 颗……被誉为“中国天眼” 的FAST,探测成绩的进步可谓一日千里。其发现的脉冲星数量,远超同期欧美多个脉冲星搜索团队发现数量的总和。

遥想当年,1967 年,人类发现了第一颗脉冲星。中国奋起直追,50 年后,才用自己的射电望远镜FAST 发现了第一颗新脉冲星。

尽管起步晚,却手拥FAST 这个大国重器,后来居上。作为世界上最大的单口径射电望远镜,FAST 灵敏度最高,稳居世界射电望远镜之首,可有效探索的空间范围体积,远超此前最先进的射电望远镜。

截至FAST 正式运行一周年之际,基于FAST 数据发表的高水平论文已达到40 余篇,快速射电暴成果入选《自然》期刊公布的2020 年十大科学发现。

目前,“中国天眼” 已经在直径约10 万光年的银河系内发现一批脉冲星,又在遥远的河外星系探测到快速射电暴和中性氢发射线。

全国政协委员、中国科学院院士、FAST 科学委员会主任武向平接受采访时表示,FAST 综合性能全球领先,极大拓展了人类观察宇宙视野的极限,可以重现宇宙不同时期的图像,探测信号最弱的脉冲星,不断扩展观测样本的数量。期待未来5 年这一数字能达到1000 颗,甚至能找到银河系外的第一颗脉冲星。

武向平说:“FAST 脉冲星计时精度领先国际水平4 倍以上,有望在纳赫兹引力波这一全世界备受关注的前沿科学探测方面取得重大突破。”

探寻地外文明

宇宙无边无际,目之所及尽是无垠虚空。在这个广袤的宇宙空间里,我们的地球连一粒沙都不如。与太阳相比,地球的体积只有太阳的130 万分之一,在太阳的光辉下,地球几乎微不可见。

实际上,我们生活的地球,光周长就有4 万公里,约为950 个马拉松的总长;它与太阳相距1.5 亿公里,相当于地球周长的3750 倍(通常被称为一个天文单位)。对于我们的日常生活而言,这些距离全都是大得不得了的天文数字,完全超出了我们的感知范围。但对于整个宇宙而言,它却渺小到根本不值一提。

为了描述宇宙的尺度,科学家们创造了一个新的概念叫做光年。光年是光走一年的距离,它大约是94600 亿公里,相当于63000 多个天文单位,这是什么概念呢?目前人类造出的速度最快的飞行器就是我们熟悉的旅行者1 号,它当前的速度已经超过了每秒17 公里相当于音速的50 倍,这意味着旅行者1号要想飞完一光年的路程,需要花上17000 多年。要知道真正有文字记载的人类文明史,也只有此数字的一个零头。

1990 年2 月14 日,当旅行者1 号在距离地球64 亿公里外最后一次回望地球时,拍下了一张著名的太阳系全家福照片——暗淡蓝点。没错,地球仅仅只是一个暗淡的蓝点。在地球以外,漆黑的空间里几乎没有任何物质的存在,我们就那么孤零零地漂浮在那里——一颗蓝白相间的球星弹珠,如一粒微小的尘埃,悬浮在茫茫太空之中。

科学家还说了,宇宙中最大的奇迹其实就是我们人类本身的存在。因为人类能够存在,至今都是一件可能性小得匪夷所思的事情。

宇宙创生的那一刻,物质原本是非常均匀地分布在宇宙中,然后宇宙中发生了一个物理过程——量子涨落,它让物质的分布出现了一定的不均匀性。有的地方(红色区域,温度比较高,密度比较大)的物质变得比较多,有些地方(蓝色区域,温度比较低,密度比较少)的物质变得比较少。而整个不均匀性恰好是红色区域的物质密度比蓝色区域大了十万分之一。对于人类而言,这个数字至关重要,一点都不能多,一点也不能少。如果多一点,例如万分之一,物质分布会过于密集,使宇宙中的大多数天体都变成黑洞;如果少一点,例如百万分之一,物质分布过于稀疏,使宇宙中的大多数天体都无法形成。这意味着理论上完全随机的量子涨落,它所导致的物质分布不均匀性,必须恰好是十万分之一,否则银河系或太阳系就无法形成。换句话说,我们人类今天之所以能够存在,本质上源于宇宙创生时期发生的那次幸运到极点的量子涨落。

人类的好运气并非仅限于此。一个行星上想要产生生命,需要同时满足以下三个条件:第一,必须是一颗固体行星;第二,必须处于宜居带;第三,要有大气和磁场。这三个条件很苛刻,但地球全都完美地满足了:它的质量很合适,不大不小,所以能一直保持固体行星的状态;它所处的位置很合适,要是离太阳再远5% 或者再近15%,就会从宜居带里掉出去;它还有一个岩浆翻滚、异常活跃的内部,这样它可以形成大气层来保持温度,同时也能建立磁场来抵御危险的太阳辐射。

尽管拥有这么多有利条件,在地球形成之初,对生命而言,它依然是一个地狱般的存在。变化出现在45 亿年前。一个特别偶然的事件,让地球拥有了一颗巨大的卫星——月球。一般来说,像月球这么大的卫星,是只有木星、土星这样的巨型气体行星才有资格拥有的奢侈品。地球拥有这么大的卫星,就像是普通工薪族拥有一艘豪华游艇一样,是非常奇怪的事。

但宇宙就是那么神奇。45 亿年前恰好有一颗火星大小的天体撞上了地球,这样才把月球从地球中给撞出来,进而把地球改造成了一个适合生命出现的绿洲。科学研究表明,这次撞过来的天体必须恰好像火星那么大,不能更大也不能更小。如果再大一些,地球就会被这次撞击彻底摧毁;如果再小一些,就无法撞出现在这个足以改变地球自转的月球。

这两个理由已经够震撼了吧,但人类的存在还需要更多的不可能!第三个理由是,地球历史上发生过很多次大规模的生物灭绝事件,帮我们人类干掉了那些主要的竞争对手。至于为什么会发生这些大灭绝,科学界一直众说纷纭,没有定论,唯一可以肯定的是这样的大灭绝人类并非只经历一次,而是至少经历了5 次。

对于人类的幸运,著名科普作家、《万物简史》的作者比尔·布莱森曾做过一个非常形象的比喻:“在将近40 亿年的时间里,在每个必要的时刻,我们的祖先都成功地从一系列快要关上的门里钻了过去。”

说到这里,人类能够存在于地球之上,不过是数不清的偶然因素共同作用的结果。而最新的观测显示,宇宙中包含的星系数量应该超过2000 亿个!按每个星系至少包含1000 亿颗恒星计算,宇宙中恒星的总数至少有200 万亿亿个。那么,在茫茫宇宙的众多星球之中,是否有一些行星和地球一样,极其幸运地孕育了成千上万奇妙的物种?茫茫宇宙之中,是否有和人类一样的智慧生命——外星人存在呢?

这就回到了“天眼”。它存在的意义就是要改变人类的宇宙观。3 月27 日,李菂在上海科技馆举办的上海科普大讲坛前接受《新民周刊》的采访时表示,FAST有五大既定科学目标——中性氢的观测;发现脉冲星以及进行脉冲星研究;VLBI 观测,对活动星系核的内核进行解析;对一些分子谱线进行探索;对地外生命的通信进行监测,“也就是俗话说的找外星人”。

拿脉冲星来说,它是中子星的一种,能够周期性发射脉冲信号,像人的脉搏一样,一下一下出现短促的无线电信号。1967 年10 月,剑桥大学的研究生——24 岁的乔丝琳·贝尔检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了脉冲星的脉冲信号,一开始,人们对此很困惑,因为规律发射的脉冲信号一直被认为是人造的。于是人们认为这可能是外星人在向我们发电报联系,并将之称作“小绿人一号”。

很快,经过几位天文学家一年的努力,终于证实,脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且,正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。这个结论引起了巨大的轰动。因为虽然早在30年代,中子星就作为假说而被提了出来,但是一直没有得到证实,人们也不曾观测到中子星的存在。而且因为理论预言的中子星密度大得超出了人们的想象,它们的密度,每立方厘米相当于1 万艘万吨巨轮的质量压缩起来。那是一个地球上无法想象的、类似科幻小说《三体》里“水滴” 的世界。

天文学家们通过研究得出结论,脉冲的形成是由于脉冲星的高速自转。原理就像我们乘坐轮船在海里航行,看到过的灯塔一样。设想一座灯塔总是亮着且在不停地有规则运动,灯塔每转一圈,由它窗口射出的灯光就射到我们的船上一次。不断旋转,在我们看来,灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样,当它每自转一周,我们就接收到一次它辐射的电磁波,于是就形成一断一续的脉冲。

最终,因为不断发出电磁脉冲信号而得名的脉冲星和类星体、星际分子、宇宙微波背景辐射并列为20 世纪四大天文发现。这些发现看上去高深而遥远,却在某些方面“洞悉” 了未来。

李菂说,脉冲星在基础科学研究领域具有极其重要的学术意义。由于脉冲星的大质量和小半径,其表面引力场非常强,这使得脉冲星成为强引力场研究的天然实验室。由于脉冲星的超强磁场,又为我们研究磁层粒子加速机制、高能辐射、射电辐射过程提供了一个理想场所。

此外,脉冲星作为大质量恒星坍缩后超新星爆发的产物,它对于研究超新星爆发理论、理解脉冲星的形成机制相当重要。超新星爆发是宇宙中巨大的能量释放现象。银河系内,大约每隔50 年就会出现一颗超新星。它的质量比太阳大,爆炸之后会留下一颗密度非常大(不过比黑洞要小很多)的中子星。虽然人类很难走出银河系,但是天文学家可以通过望远镜等各种手段来研究包括远在银河系之外的神奇天体。人们期望能够用FAST 来发现银河系外的中子星。

从应用层面而言,部分脉冲星自转周期的长期稳定性已经赶上甚至超过了氢原子钟,这表明脉冲星在宇宙航行领域是潜在的可以替代原子钟的时间标准。从脉冲星中遴选出脉冲信号稳定的毫秒脉冲星,将来有望应用于星际导航。

总之,关于脉冲星的一切谜团,都有待FAST 来一一解开。而探寻“地外文明”,“搜寻星际通信信号”,也一直是FAST 的科学目标之一。李菂表示,随着FAST 探索外星人设备的启用,人类在不久的将来也许就会有是否存在外星人的阶段性答案了。

回溯原初宇宙,揭示更多宇宙奥秘,这是建造“天眼” 的原动力,也是终极目标。离原初最近,才可能离未来更近。也才能解答人类一直面临着一个最终极的问题——我们将往何处去?

“无论是阿雷西博已取得的成就,还是FAST 刚开始的努力,这些都代表着我们这颗行星绚烂的希望。” 李菂说。

拥抱宇宙的人,脚踩地球

作为FAST 的首席科学家,李菂的前半生一直在和阿雷西博打交道。从美国康奈尔大学博士毕业后,曾分别在美国哈佛—史密松天体物理中心做天文学者,在美国宇航局喷气推进实验室和加州理工学院做研究员。其间,他在观测天文领域取得一系列具有开创意义的成果。

对星际分子的持续发现和系统研究是了解恒星形成、星际介质演化和天体化学的观测基础。首次发现星际分子氧气的便是李菂当时所在的微波卫星团队。在探测星际分子的同时,李菂还对宇宙氢的观测方法进行了创新。“对氢的观测非常重要。”李菂说,“星际气体演化是天文领域的重大科学问题。氢气是宇宙重子物质的主要成分,其质量远大于恒星总质量。宇宙物质循环从原子氢气开始。”

但氢的观测也是天文观测的难点所在。通过不懈的研究,李菂发展并命名了一个新的观测方法——中性氢窄线自吸收。它是目前测量分子云中总原子丰度的唯一可靠办法,并被恒星形成理论的年度综述文章评述为测量氢转化时标的主要工具。“宇宙学的计算和模拟也开始利用我们测量的结果,帮助计算星系形成。” 李菂说。

2012 年,李菂暂时中断了空间科学技术的探索,回国参与FAST 的一线建设。

去过天眼的人都知道,它坐落在贵州省平塘县克度镇,建在一个天然的喀斯特洼坑——大窝凼里。在远离都市的深山老林里,工作单调枯燥、隔期返家、缺少社交活动,对任何人都是一个巨大的考验。李菂却觉得这是一个十分有趣、充满探索和创造的过程。

“天体物理是比较纯粹的基础科学,没有直接的实用性,原动力是满足人类的好奇心。好奇心是我们科学家个体的乐趣,更是人类生存的必须。不停探索前所未知的世界,才能面对前所未有的困难,取得我们现在还想象不到的答案。” 李菂说。

无论是阿雷西博还是FAST,都带有一定的科学幻想成分,但当我们把科幻变成现实的时候,那些遥不可及的未来似乎变得更加“近切”。李菂希望更多的有志青年能够投身于极其小众的天文学事业之中,勇于尝试那些看起来完不成的事情,完成“中国天文从追赶到超越的一次尝试”。

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