“觀天巨眼”看世界

袁懋

原本除了中國“天眼”FAST之外，世界上還有另一座可與之比肩的大射電望遠(yuǎn)鏡——阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡（Arecibo）。阿雷西博口徑305米，1962年便建成投入使用。迄今為止已經(jīng)幫助全世界科學(xué)家取得了一系列重大科學(xué)成果，包括一項諾貝爾物理學(xué)獎。不過令人惋惜的是，2020年12月1日，服務(wù)天文學(xué)長達(dá)58年的阿雷西博設(shè)備因老化發(fā)生坍塌，懸吊設(shè)備平臺砸穿望遠(yuǎn)鏡巨大反射面，最終退出歷史舞臺，給一個時代劃上了終結(jié)符。如今，全球只剩下中國“天眼”一只“眼睛”了。

探究宇宙起源之謎

標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型告訴我們，宇宙起源于約138億年前的大爆炸，初生的宇宙溫度極高，核合成后充滿電離的氫元素。在快速冷卻過程中，帶電的氫元素逐漸復(fù)合成電中性的氫。中性的氫元素不斷聚集合并，由此拉開了今天可觀測宇宙演化的序幕。

作為宇宙中最古老、最簡單、分布最廣泛的成分，中性氫的研究既可以用來追溯宇宙演化歷史，也可以用來研究星系物質(zhì)分布、動力演化以及可能的暗物質(zhì)分布。由于中性氫可以輻射出十分微弱但獨特的射電輻射（由于其波長為21厘米，故又稱21厘米線），因此可以用高靈敏度望遠(yuǎn)鏡捕捉其輻射信號。作為目前世界上最靈敏的射電望遠(yuǎn)鏡之一，F(xiàn)AST在探測中性氫上有得天獨厚的優(yōu)勢。2020年7月，中國科學(xué)家用FAST已成功探測到了3個低紅移星系的中性氫發(fā)射線，或可有助于銀河系外星系的暗物質(zhì)分布研究。

脈沖星：

宇宙中神秘的“燈塔”

脈沖星是一種大質(zhì)量恒星演化到后期，經(jīng)過超新星爆發(fā)后留下的“遺物”。目前的理論認(rèn)為，恒星在后期由于核聚變元素耗盡，自身引力會引發(fā)星體坍縮。小質(zhì)量的恒星（諸如太陽）會留下白矮星;超大質(zhì)量的恒星可能會留下一個黑洞;中等質(zhì)量的恒星坍縮后就會留下一顆中子星。中子星的射電輻射以脈沖的形式到達(dá)地球，故也稱脈沖星。

星系的可見光（亮白色區(qū)域）范圍外，還有大量的射電波段探測到的中性氫氣體（藍(lán)色區(qū)域）? （圖片來源/N RAO）

脈沖星是一類非常神奇的天體。其最主要特征是：質(zhì)量大（量級約10萬倍地球質(zhì)量），半徑小（僅10千米左右）。如此巨大的質(zhì)量被壓縮在僅一個城市大小的空間內(nèi)，其密度之高，壓強之大令人無法想象。此時其內(nèi)部物質(zhì)組成將不再是普通物質(zhì)狀態(tài)：可能是原子核被壓碎后游離出來的中子，甚至可能是連中子也被壓碎后游離出的更基態(tài)的夸克。脈沖星另外的一個最具代表性的特征是超快且精準(zhǔn)的自轉(zhuǎn)速度，其自轉(zhuǎn)速度最快達(dá)每毫秒轉(zhuǎn)一圈。當(dāng)脈沖星的射電輻射脈沖從兩級輻射出來被望遠(yuǎn)鏡探測到后，我們就可以根據(jù)探測到的脈沖周期來確定脈沖星的自轉(zhuǎn)周期了。部分脈沖星自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定（億年才變化一秒），甚至超過了目前人類的時間標(biāo)準(zhǔn)——原子鐘。

宇宙演化歷史和中性氫的合成

研究脈沖星一方面可以幫助科學(xué)家回答極端條件下（超強磁場、超強引力場、超高溫等）一些基本的物理規(guī)律，也可以用于布局未來的脈沖星星際導(dǎo)航。此外，脈沖星計時觀測也可以用來探測引力波。由于脈沖星周期特別穩(wěn)定，通常情況下兩個脈沖到達(dá)地球的時間間隔應(yīng)該相同。如果在傳播過程中，脈沖穿過被引力波擾動的時空，那么其到達(dá)時間勢必受到影響。通過測量脈沖星脈沖到達(dá)時間的間隔，可以間接得到引力波。

對脈沖星的研究，F(xiàn)AST也具有得天獨厚的優(yōu)勢。超高的靈敏度可以幫助人們探測到以往其他設(shè)備無法探測到的弱射電脈沖星信號，發(fā)現(xiàn)更加特異的輻射特性、得到更精確的脈沖到達(dá)時間等。目前，中國科學(xué)家利用FAST已經(jīng)探測到了數(shù)百顆新的射電脈沖星，引力波探測也在進(jìn)行當(dāng)中。

快速射電暴：

來自宇宙的神秘信號

快速射電暴（Fast Radio Burst，簡稱FRB），顧名思義，就是短時間內(nèi)巨大的能量在射電波段內(nèi)爆發(fā)的輻射。人類第一次發(fā)現(xiàn)FRB是在2007年。天文學(xué)家鄧肯·洛里默等人在處理以往的射電數(shù)據(jù)時，首次發(fā)現(xiàn)了這種異常的輻射爆發(fā)，不過一開始人們對其地外起源表示懷疑。后來又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多個類似爆發(fā)后，天文學(xué)家才開始意識到這是一種以前未探測到的宇宙信號。

射電脈沖星（中子星）假想圖

迄今為止，人類已經(jīng)捕捉到了上千起快速射電暴，已公開的這些射電暴基本上均被確認(rèn)為銀河系外起源。不過，2020年4月加拿大科學(xué)家新發(fā)現(xiàn)了起源于銀河系內(nèi)的射電暴。那么到底是什么機制產(chǎn)生了如此強大的能量爆發(fā)呢？雖然目前尚無定論，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這種爆發(fā)可能來自某些致密天體類似太陽爆發(fā)的星體活動，比如白矮星、中子星以及黑洞等。對其物理過程以及起源天體的研究已成為了天文學(xué)的前沿?zé)衢T領(lǐng)域。

2020年4月，F(xiàn)AST探測到的第一顆FRB公開發(fā)表（由國家天文臺研究員朱煒瑋等完成）。得益于FAST強大的性能，科學(xué)家探測到了這顆FRB罕見的多個爆發(fā)成分。目前，天眼團隊已探測到了多起FRB，數(shù)據(jù)均在進(jìn)一步處理當(dāng)中。不僅如此，F(xiàn)AST充分發(fā)揮其高靈敏度的優(yōu)勢，探測到了FRB 180301這顆爆發(fā)源的輻射偏振（由北京大學(xué)羅睿博士等完成），極大地限制了FRB輻射起源的理論模型。目前這項世界級發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被各國科學(xué)家接受并認(rèn)可。

星際分子：

生命起源的第一縷光

星際分子是指存在于宇宙星際空間的有機或無機分子。很長一段時間以來，天文學(xué)家認(rèn)為宇宙空間除了一些天體和星云等物質(zhì)外，就再也沒有其他有原子構(gòu)成的物質(zhì)了。直至20世紀(jì)60年代，星際分子的發(fā)現(xiàn)打破了這一認(rèn)知。特定的星際分子會吸收特定頻率的電磁波，因此可以通過觀測電磁波譜在某些頻率的吸收線來認(rèn)證特定的分子。迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)找到了數(shù)百種星際分子，其中包括合成氨基酸、DNA的一些基本分子。

雙黑洞繞轉(zhuǎn)并和引發(fā)的時空漣漪會影響脈沖星脈沖到達(dá)地球的時間

為什么宇宙空間會存在星際分子呢？這得從恒星的“一生”說起。恒星誕生之初基本只有簡單的氫元素。經(jīng)過不斷的核聚變，最簡單的氫元素會不斷核合成其他更重更復(fù)雜的元素，比如碳、氮、氧等。到恒星“瀕臨死亡”時，其內(nèi)部已經(jīng)合成了大量的金屬元素了，包括金、銀等。這個演化過程，恒星也合成了一些簡單的分子物質(zhì)。簡單的分子物質(zhì)在宇宙空間中經(jīng)過復(fù)雜的高能輻射和互相交融，就有可能合成更復(fù)雜的有機分子。

那么我們?yōu)槭裁匆芯啃请H分子呢？這關(guān)系到地球生命起源的研究。因為很可能就是星際分子給地球生命的誕生帶來了第一縷光。FAST在尋找星際分子這一領(lǐng)域絲毫不甘人后，這一觀天巨眼正在掃描著宇宙深空的各個角落，相信不久的將來就能找到那些隱藏的分子。

探索地外文明有據(jù)可依

人類在宇宙中是否是唯一的？亙古以來，這是一個令無數(shù)人好奇但一直沒有獲得答案的問題，直到今天它依然充滿誘惑。相對其他觀測科學(xué)，地外文明搜尋一直以來都是一個充滿科幻色彩的課題。

第一個FRB（圖中黑色曲線）在射電數(shù)據(jù)里的樣子

隨著望遠(yuǎn)鏡性能不斷加強，能探測到的信號越來越多，這一曾經(jīng)科幻的課題變得越來越有科學(xué)上的可行性了。曾幾何時，人類第一次探測到脈沖星信號時，也曾認(rèn)為是外星“小綠人”發(fā)來的。如果我們捕捉到異常的、不曾看到的信號，那么就值得對其進(jìn)行具體研究，確認(rèn)其可能的起源。

FAST捕捉到的異常信號

FAST可以捕捉到非常微弱的射電信號，除了一些我們熟知的射電源外，有些是我們暫時不能很好解釋的干擾信號。自FAST投入運行以來，美國伯克利大學(xué)SETI團隊就與天眼團隊展開了深度合作，共同開發(fā)了一套系統(tǒng)，實時篩選FAST收集到的信號，捕捉地外文明的蛛絲馬跡。

隨著阿雷西博的退役，一個大射電時代宣告謝幕，退出了歷史舞臺。作為接力者，中國“天眼”將開啟另一個嶄新的大射電時代。我們將奮力前行，借助天眼窺視更多的宇宙秘密，不斷推動人類對宇宙新的認(rèn)知！