最快速的巡天望遠(yuǎn)鏡

長(zhǎng)期以來(lái)，我們一直視宇宙為寧?kù)o的地方。在詩(shī)人和哲學(xué)家眼里，與來(lái)去匆匆的人間事物相比，星星是最接近永恒的東西。

但是，望遠(yuǎn)鏡幫助我們打破了這種幻覺(jué)?，F(xiàn)在我們知道，天空在發(fā)生很多變化。有爆發(fā)的超新星，有快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，有正在吞噬氣體云的黑洞，有移動(dòng)的星群……但是，要觀察到這些變化，很多時(shí)候我們得借助望遠(yuǎn)鏡巡天才能知道。巡天，就是用望遠(yuǎn)鏡反復(fù)掃描天空，然后比較前后的差異。

傳統(tǒng)上，用望遠(yuǎn)鏡掃描整個(gè)天空，即所謂的全天空調(diào)查需要幾個(gè)月或幾年才能完成。譬如，20世紀(jì)70年代建于澳大利亞的施密特望遠(yuǎn)鏡，掃描南半球天空，一次需要13年。1990年，ROSAT航天器為尋找X射線源掃描整個(gè)天空，一次花了6個(gè)月。

建于智利，于2023年7月投入使用的維拉·魯賓望遠(yuǎn)鏡刷新了這項(xiàng)紀(jì)錄。它只需要用3個(gè)晚上即可掃描整個(gè)南半球天空，因此一年中它能掃描南部天空110遍。它還利用最先進(jìn)的人工智能去識(shí)別肉眼細(xì)微莫辨的變化。有了它，我們將看到比以往更多的細(xì)節(jié)。總而言之，這代表著一個(gè)被稱為“時(shí)域天學(xué)”時(shí)代的到來(lái)，該學(xué)科旨在了解天體如何隨時(shí)間變化。

魯賓望遠(yuǎn)鏡能為我們做什么？

維拉·魯賓望遠(yuǎn)鏡以發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的美國(guó)女天文學(xué)家維拉·魯賓的名字命名。這是一架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，也就是說(shuō)，它工作于可見(jiàn)光波段，以它的光收集能力和巡天速度，它將能探測(cè)到天體亮度和位置的輕微變化。魯賓望遠(yuǎn)鏡大概能觀測(cè)到200億顆恒星，占銀河系中天體總數(shù)的10％。如此大規(guī)模的觀測(cè)，意味著，以前被認(rèn)為罕見(jiàn)的天體事件，現(xiàn)在都變得稀松平常。目前在天文學(xué)家心目中至少有兩個(gè)這樣的罕見(jiàn)天體事件。

第一個(gè)是快速藍(lán)光瞬變。這是一種快速的藍(lán)光脈沖。到目前為止，天文學(xué)家只看到5個(gè)。它們可能是超新星，但被密集的塵埃和氣體云所包圍，因此改變了所發(fā)出的光的顏色。用魯賓望遠(yuǎn)鏡找到更多的快速藍(lán)光瞬變，將使天文學(xué)家更好地確定它們的真實(shí)身份。

第二個(gè)是千新星。千新星是指一類暫時(shí)出現(xiàn)的天文事件，主要發(fā)生于雙致密天體（如雙中子星，中子星與黑洞）合并過(guò)程中。由于它的亮度可達(dá)到經(jīng)典超新星的1000倍而得名。一顆普通的超新星爆發(fā)可持續(xù)一年左右，而千新星的亮度變化非?？?，只持續(xù)數(shù)周，甚至幾天。同樣，天文學(xué)家只知道少數(shù)幾顆千新星，而且都是偶然探測(cè)到的。它們被認(rèn)為是兩顆中子星碰撞，或者是一顆中子星與一個(gè)黑洞的碰撞。天文學(xué)家估計(jì)，千新星在宇宙中應(yīng)該是比較常見(jiàn)的，只是由于它們消逝得太快，難以探測(cè)而已。

憑借其每隔三天的半天空掃描，魯賓望遠(yuǎn)鏡很適合探測(cè)它們。這特別令人激動(dòng)，因?yàn)?017年探測(cè)到的引力波，同時(shí)伴隨著發(fā)光，是激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）探測(cè)到的首個(gè)不是由兩黑洞合并產(chǎn)生的引力波事件，被認(rèn)為是由兩顆中子星碰撞，也就是千新星。這意味著，未來(lái)可以把LIGO和魯賓望遠(yuǎn)鏡配合起來(lái)探測(cè)千新星。

當(dāng)然，并非所有魯賓望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的變化都如此突然或巨大。許多天體的變化可能是非常緩慢的。但魯賓望遠(yuǎn)鏡將工作幾十年，這些天體將會(huì)被掃描數(shù)千遍，隨著時(shí)間的積累，哪怕非常緩慢的變化也可能被揭示出來(lái)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，魯賓望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)，對(duì)于發(fā)現(xiàn)新的天體或事件，將是一個(gè)“富礦”。

魯賓望遠(yuǎn)鏡如何處理海量數(shù)據(jù)？

但問(wèn)題是，魯賓望遠(yuǎn)鏡將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)（估計(jì)每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達(dá)到600萬(wàn)GB），如何從中識(shí)別天體的變化呢？

值得慶幸的是，天文學(xué)家不需要親自去做。他們可以開(kāi)發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能程序來(lái)完成這項(xiàng)繁重的工作。

當(dāng)魯賓望遠(yuǎn)鏡掃描夜空，拍攝一張又一張的圖片時(shí)，由人工智能驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)尋找圖片中的任何變化。一旦發(fā)現(xiàn)了一個(gè)變化，就創(chuàng)建一個(gè)自動(dòng)警報(bào)，然后發(fā)送到世界各地的天文學(xué)家和天文臺(tái)。在這些地方工作的科學(xué)家有不同的研究領(lǐng)域，有的可能在尋找小行星，有的可能在尋找超新星，有的可能在研究活動(dòng)星系核……他們可以根據(jù)自己的興趣，向維拉·魯賓天文臺(tái)索要更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，然后自己開(kāi)發(fā)算法，從數(shù)據(jù)中提取盡可能多的信息?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是，未來(lái)遍布全世界的很多天文學(xué)家將圍繞魯賓望遠(yuǎn)鏡，組建團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展研究。

如此強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，無(wú)疑將會(huì)為我們揭示出大量未曾預(yù)料到的現(xiàn)象。然后，為了了解這些新現(xiàn)象，天文學(xué)家可能需要利用其他設(shè)施，進(jìn)行額外的觀測(cè)。維拉·魯賓望遠(yuǎn)鏡和韋伯太空望遠(yuǎn)鏡一起，預(yù)示著一個(gè)天文學(xué)大發(fā)展的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。

魯賓望遠(yuǎn)鏡會(huì)帶給我們什么驚喜？

對(duì)于魯賓望遠(yuǎn)鏡可能揭示的新現(xiàn)象，天文學(xué)家心目中也已經(jīng)有了兩個(gè)。

一個(gè)是宇宙弦存在的可能證據(jù)。什么是宇宙弦呢？眾所周知，我們的宇宙中目前存在四種基本作用力：引力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力。它們的強(qiáng)弱、作用范圍以及作用的物質(zhì)屬性都各不相同（如引力作用于物質(zhì)的質(zhì)量，電磁力作用于物質(zhì)的電荷）。但據(jù)大統(tǒng)一理論預(yù)言，在宇宙極早期，這些作用力是不分彼此的；它們是在經(jīng)歷了一場(chǎng)類似水結(jié)成冰的宇宙相變之后才分開(kāi)的。天文學(xué)家推測(cè)，宇宙弦就產(chǎn)生于這場(chǎng)相變中，是相變?cè)诳臻g結(jié)構(gòu)中留下的折痕，類似水結(jié)冰時(shí)在冰塊上出現(xiàn)的裂縫，在那里，宇宙物質(zhì)特別集中。天文學(xué)家認(rèn)為，找到并研究宇宙弦，可以從中了解極早期宇宙的狀況。今天，宇宙弦的行為應(yīng)該像引力透鏡，可以把遙遠(yuǎn)星系的光線匯聚到一起。如果宇宙弦存在，也許會(huì)被魯賓望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。

另一個(gè)可能被魯賓望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的是外星人存在的證據(jù)，或者更確切地說(shuō)，是外星人建造的太空巨型設(shè)施存在的證據(jù)。這個(gè)想法很簡(jiǎn)單：當(dāng)外星文明發(fā)展到一定程度，為了滿足能源的需要，他們可能會(huì)圍繞其母恒星建造巨型設(shè)施，用來(lái)捕捉更多的恒星光，并將其轉(zhuǎn)化為電能。

1960年，美國(guó)物理學(xué)家弗里曼·戴森證明，這樣的結(jié)構(gòu)應(yīng)該將其廢熱作為紅外線輻射出去，以保持自身的熱平衡。而后來(lái)的天文學(xué)家又進(jìn)一步證明，這種結(jié)構(gòu)在輻射輸出方面不是精確穩(wěn)定的，而是圍繞其平衡狀態(tài)會(huì)有微小的振蕩。這意味著它可能產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間變化的可探測(cè)信號(hào)。根據(jù)計(jì)算，振蕩周期可能從幾分鐘到幾個(gè)世紀(jì)不等，并且可以使其母恒星看起來(lái)像某種以前未知的變星。這種變化一般的望遠(yuǎn)鏡是很難發(fā)現(xiàn)的，但可能會(huì)被魯賓望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。

總而言之，天文學(xué)中很少有角落是魯賓望遠(yuǎn)鏡掃不到的。哪怕找不到外星人，你也有百分之百的可能找到其他稀罕的東西。

（摘自龍?jiān)雌诳W(wǎng)）