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▲FAST 中國(guó)貴州 天眼

▲上：美國(guó)第一顆人造衛(wèi)星（1958.1.13） 下：JPL與錢學(xué)森

(資料圖片)

▲南仁東先生與邱育海先生

▲探測(cè)快速射電暴的FAST （仿王希孟《千里江山圖》）

▲CRAFTS巡天發(fā)現(xiàn)的脈沖星

▲中性氫窄線自吸收 HINSA

▲快速射電暴：來自宇宙深處的神秘爆發(fā)

格致論道第77期

嘉 賓：李菂 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員

FAST首席科學(xué)家

聯(lián)合主辦：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心、中國(guó)科學(xué)院科學(xué)傳播局

中國(guó)天眼(500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡,FAST)位于貴州綿延的群山內(nèi)，非常漂亮。天眼這一工程在中國(guó)具有歷史性意義，它見證了中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)的追趕和進(jìn)步。我們是這個(gè)工程的受益者、參與者，也很榮幸是它的建設(shè)者。作為天文學(xué)家，我非常幸運(yùn)。如今中國(guó)在無線電波段擁有了世界上最先進(jìn)的設(shè)備——“天眼”。

天眼其實(shí)是一個(gè)直徑500米的金屬面板。如果我們往里面灌滿水，那么全世界的人至少都能分到兩瓶。但是它裝不了這么多水，因?yàn)樗泻芏?.5厘米左右的小孔洞，這占到了它50%的面積，所以水是可以漏下去的。一輛卡車從這個(gè)巨大的金屬結(jié)構(gòu)底下開過去，光可以從孔洞中漏出來。由于無線電的波長(zhǎng)非常長(zhǎng)，我們觀測(cè)的波長(zhǎng)是20厘米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔洞，所以天眼依然是一個(gè)非常高效的反射面。

2020年初，天眼才通過國(guó)家驗(yàn)收，正式成為國(guó)家大科學(xué)裝置。2021年，它第一次向國(guó)際開放。在不到兩年的時(shí)間里，利用天眼獲取的數(shù)據(jù)，催生了超過100篇國(guó)際論文，包括5篇《自然》、1篇《科學(xué)》、1篇《自然·天文》等，所以它是一個(gè)非常高效、前沿的科學(xué)設(shè)備。

巨大射電望遠(yuǎn)鏡阿雷西博是如何誕生的

天眼與位于波多黎各島的上一代巨大射電望遠(yuǎn)鏡阿雷西博非常相似，后者也是處在喀斯特巖溶地形中的設(shè)備。阿雷西博是1963年建成的，直到當(dāng)?shù)貢r(shí)間2020年12月1日倒塌之前，它完成了很多載入教科書、載入史冊(cè)的工作。它測(cè)量了水星的自轉(zhuǎn)，改變了天文學(xué)和物理學(xué)150多年以來的錯(cuò)誤概念；它發(fā)現(xiàn)了第一例太陽系以外的行星；還發(fā)現(xiàn)了第一例兩個(gè)中子星相互繞轉(zhuǎn)的案例，由此證明了引力波的存在，并于1993年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這是一個(gè)所有天文學(xué)者都非常熟悉，且被很多人使用過的先進(jìn)設(shè)備。它是在1958年美國(guó)康奈爾大學(xué)電子系的一次學(xué)術(shù)報(bào)告中，由威廉·戈登教授提出來的。

戈登教授研究的是電離層的雷達(dá)回波。這個(gè)信號(hào)非常微弱，所以他提出需要300米口徑的望遠(yuǎn)鏡才能探測(cè)到。戈登教授的同行檢查完這個(gè)提案后指出：“你的研究實(shí)際上只需要用30米的望遠(yuǎn)鏡就可以做到。”后來，戈登教授正式向?qū)ｉT資助大型而又超前的、帶有風(fēng)險(xiǎn)性項(xiàng)目的基金會(huì)——美國(guó)先進(jìn)研究項(xiàng)目委員會(huì)（ARPA）提出了自己的項(xiàng)目。

戈登教授是一個(gè)非常誠(chéng)懇、踏實(shí)的人，他把這兩種有爭(zhēng)議的概念都呈現(xiàn)了出來，而基金會(huì)則選擇了前一種概念，即支持建超大型望遠(yuǎn)鏡。這種情況就類似于當(dāng)你要?jiǎng)?chuàng)業(yè)時(shí)對(duì)投資人說：你給我一個(gè)億，我能實(shí)現(xiàn)一個(gè)小目標(biāo)。而投資人卻說：我給你十個(gè)億，你去做那個(gè)宏大的事情吧。每次回想起這段歷史，我都非常震驚。

為了更好地理解這件事情，我們需要回到上世紀(jì)50年代末美蘇冷戰(zhàn)的歷史大環(huán)境內(nèi)。在蘇聯(lián)成功發(fā)射了人類歷史上第一顆人造衛(wèi)星后，美國(guó)一直在追趕。1957年，美國(guó)海軍進(jìn)行了首次衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，該衛(wèi)星直接在發(fā)射臺(tái)上爆炸。在電視轉(zhuǎn)播后，當(dāng)天的股票市場(chǎng)立刻就崩潰了。

同時(shí)，美國(guó)陸軍與加州理工學(xué)院有長(zhǎng)期的合作，他們成功發(fā)射了美國(guó)第一顆人造衛(wèi)星，跟上了空間競(jìng)賽的步伐。加州理工學(xué)院這個(gè)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室是錢學(xué)森先生創(chuàng)立的，他后來也成為中國(guó)的導(dǎo)彈之父。

在衛(wèi)星發(fā)射成功的第二年，美國(guó)才成立國(guó)家航天局。它產(chǎn)生的直接效果是，原來管理空間項(xiàng)目的美國(guó)先進(jìn)研究項(xiàng)目委員會(huì)，決定把它的經(jīng)費(fèi)用來資助在地面上的、帶有前瞻性的，甚至是有一點(diǎn)點(diǎn)瘋狂的大型項(xiàng)目。它資助的第一個(gè)項(xiàng)目就是阿雷西博望遠(yuǎn)鏡。

在那個(gè)歷史條件下，大科學(xué)實(shí)際上反映了冷戰(zhàn)長(zhǎng)期戰(zhàn)略的一部分。當(dāng)時(shí)有一個(gè)很著名的文檔——喬治·凱南在其長(zhǎng)電報(bào)中指出，如果要進(jìn)行意識(shí)形態(tài)對(duì)抗，開展經(jīng)濟(jì)、科技、航天的全面競(jìng)賽，就“必須規(guī)劃和展現(xiàn)一個(gè)遠(yuǎn)比過去更為正面和有建設(shè)性的世界藍(lán)圖”。大科學(xué)裝置也正是這種世界藍(lán)圖的一部分。

天眼的造價(jià)共11.5億，是個(gè)很便宜的大科學(xué)工程

1996年，即阿雷西博望遠(yuǎn)鏡獲得諾貝爾獎(jiǎng)后的第三年，國(guó)家天文臺(tái)老一輩的射電天文學(xué)家南仁東先生和邱育海先生第一次前往阿雷西博觀測(cè)站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察。

他們?cè)诎⒗孜鞑┻@個(gè)概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)時(shí)可預(yù)期的現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展前景以及中國(guó)在工程方面的長(zhǎng)處和短處，形成了“天眼”這個(gè)概念，并于2007年底由發(fā)改委批復(fù)立項(xiàng)。

我從2008年開始參與編制項(xiàng)目建議書，并且有幸在2012年全職回到科學(xué)院參與建設(shè)這個(gè)項(xiàng)目。2015年南仁東先生不幸確診了肺癌，我也因此做了三年工程的工作。

工程師的工作，和我日常的天文測(cè)學(xué)者的工作是非常不同的，需要搬磚、種樹、熔接光纖……我在工程現(xiàn)場(chǎng)待的時(shí)間比較短，而我們主要的工程團(tuán)隊(duì)在六年多的時(shí)間里都住在板房，里面沒有室內(nèi)熱水和獨(dú)立的衛(wèi)生間。即便是在這種情況下，大家也保持著非常好的精神狀態(tài)。

經(jīng)過艱苦卓絕的努力，我們?cè)?016年9月19日，即在竣工典禮的前幾天獲得“第一縷光”，或者叫“初光”（First Light）。這個(gè)工程背后有很多有意思的事，我們也在工作的過程中慢慢學(xué)習(xí)。比如工程現(xiàn)場(chǎng)有很多馬蜂，我們都被蜇過不止一次，所以到了2016年，我在防護(hù)方面已經(jīng)有了不少心得。有一次我沒有被馬蜂蜇，卻撞到了一個(gè)裝得比較矮的燈。

天眼是幾代人努力的結(jié)果。天眼與阿雷西博望遠(yuǎn)鏡相比的進(jìn)步之處或者說不同之處是，它不僅更大，而且不只有一面。它是把一個(gè)直徑500米的球冠的一部分，分割成4500面反射單元；通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)這些反射單元，把它們從球冠的一部分變成一個(gè)拋物面。

我們?cè)谥袑W(xué)物理里學(xué)過拋物面。平行光照進(jìn)來的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)聚焦，同時(shí)，因?yàn)槟阋刺炜罩械牟煌较?，為了點(diǎn)聚焦，你這個(gè)焦點(diǎn)就必須可以飛。

FAST望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處安放的是饋源艙，它重30噸，由六根非常細(xì)的索進(jìn)行控制，索的截面直徑大概是4.6厘米。站在幾百米外看的話，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是細(xì)若游絲的。

天眼是一個(gè)給人以深刻印象的鋼架工程。但如果你的眼睛能夠透視這個(gè)金屬板和土地，你會(huì)看到底下的幾十萬根光纖，這是一個(gè)現(xiàn)代化、高科技的科學(xué)裝置。天眼的造價(jià)總共是11.5億，如果要在北京修地鐵的話，這個(gè)價(jià)格僅能勉強(qiáng)修兩個(gè)地鐵站，所以我經(jīng)常說這是個(gè)很便宜的大科學(xué)工程。

發(fā)表的四個(gè)快速射電暴都來自宇宙的青少年時(shí)期

在無線電的射頻波段，F(xiàn)AST是現(xiàn)在最大的、最靈敏的設(shè)備。它的工作頻率覆蓋70兆赫茲到3000兆赫茲。這意味著在如調(diào)頻收音機(jī)、手機(jī)、藍(lán)牙、WiFi等人類利用得比較多的頻段中，我們有了一個(gè)新的、更靈敏的設(shè)備。

正如人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)新大陸后，做的第一件事就是對(duì)物種進(jìn)行普查，天文學(xué)家擁有新設(shè)備后要做的事情也是完全一樣的，我們稱其為“巡天”。

巡天的主要對(duì)象有兩類，第一類是脈沖星。脈沖星是一個(gè)非常短促、強(qiáng)大的脈沖，它來自具有極高磁場(chǎng)和密度的中子星，在天空中提供了一個(gè)極端物理?xiàng)l件下的實(shí)驗(yàn)室。它的發(fā)現(xiàn)以及它對(duì)引力波的證明兩次獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

第二類叫中性氫21厘米譜線，它的波長(zhǎng)是21厘米，實(shí)際上反映的就是失蹤的原子氫氣。而宇宙里物質(zhì)的主要組成成分就是原子氫氣，它們加起來的質(zhì)量遠(yuǎn)超過你能看到的恒星以及所有星系的總和。

我們基于FAST的靈敏度以及一系列原創(chuàng)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)可以同時(shí)觀測(cè)原子氫氣與脈沖星，并且能同時(shí)搜索地外文明的巡天模式。這個(gè)項(xiàng)目的名字是“多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天”，簡(jiǎn)稱“CRAFTS”。

到目前為止，這個(gè)項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過150顆新的脈沖星。其中包括FAST發(fā)現(xiàn)的第一例雙中子星系統(tǒng)，它與1993年獲得諾貝爾獎(jiǎng)的那個(gè)天體系統(tǒng)類似。

我在前面提到過，F(xiàn)AST催生了100多篇文章，在這些文章內(nèi)，最活躍的是從脈沖星中衍生出來的新領(lǐng)域——快速射電暴（FRB）。

快速射電暴是什么呢？它是一個(gè)不重復(fù)的、毫秒量級(jí)的脈沖，而且非常亮。它們來自宇宙深處，爆發(fā)在較弱時(shí)，千分之一秒內(nèi)就相當(dāng)于太陽一小時(shí)的能量，在較強(qiáng)時(shí)則相當(dāng)于太陽好幾年的能量。因?yàn)樗x地球比較遠(yuǎn)，所以到達(dá)地球時(shí)，它看似是一個(gè)比較弱的無線電信號(hào)，但實(shí)際上它在爆發(fā)的時(shí)候是非常亮的。

現(xiàn)在FAST發(fā)現(xiàn)的快速射電暴不多，我們發(fā)表了四個(gè)。它們都來自宇宙的青少年時(shí)期，即來自宇宙的早期。相對(duì)而言，它們非常暗和弱。這四個(gè)快速射電暴覆蓋了一個(gè)比較奇特的參數(shù)空間，所以它們能夠提供物理上的限制。

快速射電暴這個(gè)領(lǐng)域是很年輕的。2007年，人類知道了銀河系外存在這種神秘的爆發(fā)。2012年11月2日，快速射電暴源121102第一次出現(xiàn)在人類的觀測(cè)數(shù)據(jù)里。2017年，它才被定位下來。在這之后，我們就得以觀測(cè)它周圍的恒星和這個(gè)星系的紅移。基于這次發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家確定了快速射電暴來自宇宙深處。這是快速射電暴的理解機(jī)制上的里程碑事件，這個(gè)快速射電暴源以及這次定位被認(rèn)為是自LIGO引力波探測(cè)之后天文學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)。但是，我們現(xiàn)在依然不能理解它的天文起源和物理機(jī)制。

在我們?cè)O(shè)計(jì)、建設(shè)FAST望遠(yuǎn)鏡的時(shí)候，這個(gè)領(lǐng)域都還沒有出現(xiàn)。但是我們?cè)诮ㄔO(shè)的過程中，就開始考慮賦予它做快速射電暴探測(cè)的能力了。非常幸運(yùn)的是，在2019年8月底，我們捕捉到了同一個(gè)源121102的一次非?；钴S的爆發(fā)。

我們?cè)?0天之內(nèi)獲取了1652個(gè)脈沖，它跨越了三個(gè)數(shù)量級(jí)，也就是它的亮度和能量的范圍上下跨越了幾千倍。這個(gè)結(jié)果是2021年10月中旬發(fā)表的。我們獲取的脈沖數(shù)量超過了過去14年所發(fā)表的總和，這就給對(duì)這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性物理研究的學(xué)者提供了機(jī)會(huì)。

我們仿照900多年以前宋朝的《千里江山圖》的風(fēng)格畫了一張圖。這里的河流表示的是脈沖，背景的山峰是真實(shí)的數(shù)據(jù)圖，它們代表不同的時(shí)間快速射電暴脈沖爆發(fā)的數(shù)量和能量。

這次觀測(cè)在天文學(xué)上的意義主要是，我們第一次比較完整地看到這個(gè)神秘爆發(fā)現(xiàn)象的能量表象?？焖偕潆姳┑男盘?hào)本身是很像脈沖星的，但是脈沖星是一個(gè)致密的天體，它有嚴(yán)格的周期性，就像一個(gè)鐘一樣會(huì)比較穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)于快速射電暴這樣密集的脈沖，我們找不到它的周期性。所以FAST的觀測(cè)使我們能夠在很大程度上排除這種重要的、活躍的重復(fù)暴來自一個(gè)孤立的磁星或者黑洞的可能，但我們距離理解它具體是什么還有相當(dāng)?shù)木嚯x，這是一個(gè)非?；钴S的前沿領(lǐng)域。

憑借天眼獲得了第一個(gè)成功的HINSA的塞曼效應(yīng)測(cè)量

除了脈沖星和快速射電暴之外，另外一個(gè)更加貼近基礎(chǔ)天文學(xué)，而且也是FAST主要科學(xué)目標(biāo)之一的就是原子氫氣。

現(xiàn)在這一領(lǐng)域有一個(gè)非常重要的進(jìn)展，即用原子氫氣譜線的探測(cè)辦法去探測(cè)星際的磁場(chǎng)。這種探測(cè)方法依賴的原理是塞曼效應(yīng)，這是目前唯一一個(gè)在星際尺度上能直接探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的原理。

我們知道電磁學(xué)的起源是法拉第的實(shí)驗(yàn)，其中最核心的實(shí)驗(yàn)就是讓線圈在與磁鐵相互運(yùn)動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生了感應(yīng)電流。現(xiàn)在回過頭想想，這簡(jiǎn)直是一個(gè)奇跡般的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)榫€圈和磁鐵是沒有接觸的，這就證明了法拉第所繪制的那些想象中的磁力線是磁場(chǎng)的表現(xiàn)形式。目前人類的技術(shù)還不能把一個(gè)線圈送到幾百光年之外去探測(cè)星際尺度的磁場(chǎng)，所以我們就需要依靠塞曼效應(yīng)。

對(duì)這個(gè)譜線的發(fā)射，我們有不同的觀測(cè)辦法。2003年，我和我的博士生導(dǎo)師Goldsmith教授就利用美國(guó)的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)展了一個(gè)相對(duì)新穎的方法——?dú)錃獾恼€自吸收（HINSA）。

從2003年至今，在將近20年的時(shí)間里，我們和其他同行都在阿雷西博望遠(yuǎn)鏡、綠岸望遠(yuǎn)鏡、加拿大的望遠(yuǎn)鏡等大型望遠(yuǎn)鏡開展了HINSA的塞曼效應(yīng)的嘗試，但均告失敗。

直到2021年，憑借“天眼”無與倫比的靈敏度和它在光路干凈上的一些優(yōu)勢(shì)，我們獲得了第一個(gè)成功的HINSA的塞曼效應(yīng)測(cè)量。

我們觀測(cè)到，在金牛座一個(gè)相對(duì)臨近的致密分子云中間，有差不多4微高斯的星際磁場(chǎng)。這意味著它的大小是地球磁場(chǎng)的大概十萬分之一，是非常微弱的。這樣微弱的磁場(chǎng)不能抵抗云、分子、塵埃由于重力的向內(nèi)塌縮，通過重力的壓縮產(chǎn)生核反應(yīng)，很快就會(huì)形成下一代太陽，這就為解決恒星形成三大經(jīng)典問題之一的磁通量問題奠定了基礎(chǔ)。

這是我們通過原子氫和分子氫相互碰撞后冷卻，然后產(chǎn)生HINSA塞曼效應(yīng)的特征完成的，這個(gè)成果最終發(fā)表在2022年1月《自然》雜志的封面上。我們仿照1600多年前顧愷之的《洛神賦畫卷》，把真實(shí)的星際分子云的數(shù)據(jù)投放到了藝術(shù)展現(xiàn)的星際磁場(chǎng)與天眼上。

天眼給予我們洞見宛若游龍般星際磁場(chǎng)的能力與機(jī)遇，使我們看到了浸潤(rùn)在這個(gè)協(xié)睦磁場(chǎng)波紋中的分子云，它必將誕生新星。宇宙中的劇烈變化，都會(huì)產(chǎn)生微弱的回響。

2012年2月14日，我到天文臺(tái)工作后主持的第一個(gè)會(huì)議，請(qǐng)來了南仁東老師作指導(dǎo)。

我在FAST望遠(yuǎn)鏡提出、建設(shè)、調(diào)試、使用的整個(gè)過程中都有很多感觸。阿雷西博望遠(yuǎn)鏡是上個(gè)世紀(jì)中后期美蘇冷戰(zhàn)的直接產(chǎn)物，它代表了二十世紀(jì)無線電在太空探測(cè)方面的科學(xué)和工程的巔峰與奇跡。而天眼這一工程在中國(guó)具有歷史性意義，它見證了中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科學(xué)的追趕和進(jìn)步。我們是這個(gè)工程的受益者、參與者，也很榮幸是它的建設(shè)者。

最后給大家分享南仁東老師經(jīng)常跟我們說的一句話：天眼是建給下一代科學(xué)家的，它代表了中國(guó)射電天文從追趕到超越的一次嘗試。

而這個(gè)嘗試才剛剛開始。