對(duì)全球科學(xué)家開放 中國天眼讓人類“看”得更遠(yuǎn)

 

清晨拍攝的“中國天眼”全景。新華社發(fā)

 

 

貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣大窩凼洼地，層巒疊嶂，翠林如海。被譽(yù)為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）坐落在群山環(huán)抱之中，像地球上的一只巨眼，靜靜凝望天空，探尋百億光年之外的射電信號(hào)。

 

科學(xué)家曾詩意地形容，半個(gè)多世紀(jì)以來，人類接收到的宇宙信號(hào)的力量還不足以翻起一頁紙，遙遠(yuǎn)的信號(hào)像雷聲中的蟬鳴，沒有超級(jí)靈敏的耳朵就分辨不出來。他們期待用更強(qiáng)有力的工具觀測(cè)來自遙遠(yuǎn)星河的信息。

 

自2020年1月對(duì)國內(nèi)開放運(yùn)行以來，借助全新的設(shè)計(jì)思路、得天獨(dú)厚的位置以及突破了天文望遠(yuǎn)鏡百米工程的極限，“中國天眼”迄今已發(fā)現(xiàn)300余顆脈沖星，并在快速射電暴等研究領(lǐng)域取得重大突破。今年3月31日，這一具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大科研基礎(chǔ)設(shè)施又正式向全世界的天文學(xué)家發(fā)出邀約，一同打撈宇宙中更多的“漂流瓶”。

 

看宇宙的“大眼睛”

 

站在觀景臺(tái)向下俯瞰，依托喀斯特地區(qū)“天坑”而建、直徑達(dá)500米的大科學(xué)裝置形似一口銀色“大鍋”，架在周圍6座高度超過百米的支撐塔上。

 

FAST首席科學(xué)家李菂介紹說，該裝置是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，它的觀測(cè)能力是德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡的10倍，是美國阿雷西博300米望遠(yuǎn)鏡的2.25倍。

 

大科學(xué)裝置的表面共有4500塊三角形主動(dòng)反射面，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是要把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)大的信號(hào)聚集在一顆小藥丸大小的空間里，否則就難以監(jiān)聽到宇宙中微弱的射電信號(hào)。這個(gè)“小藥丸”就是饋源，放在饋源艙內(nèi)——類似一個(gè)收集衛(wèi)星信號(hào)的喇叭式裝置，稱得上是世界最精貴的接收器。

 

就像水手扯動(dòng)纜繩控制風(fēng)帆的方向，F(xiàn)AST通過拉扯鋼索網(wǎng)來使天線鍋?zhàn)兿?，這就要靠與鋼索網(wǎng)相連的2000多個(gè)小電機(jī)來控制完成。整個(gè)變向過程，由激光定位系統(tǒng)校準(zhǔn)。懸空的饋源艙重達(dá)30噸，被6條400多米的鋼索吊起，移動(dòng)范圍可達(dá)200米。鋼索網(wǎng)、饋源艙接收器，每一部分的位移都要控制在毫米級(jí)，大科學(xué)裝置才能正常工作。

 

在風(fēng)勢(shì)較大時(shí)候，人們能聽到整個(gè)FAST發(fā)出的陣陣悅耳“風(fēng)鈴聲”——那是它的反射單元震動(dòng)發(fā)出的低頻聲響。在看不見的地下，還埋藏著超過10萬根光纖，為數(shù)據(jù)傳輸提供保障。

 

FAST的誕生可以追溯到上世紀(jì)90年代，天文學(xué)家南仁東提出要建設(shè)中國自己的巨型射電望遠(yuǎn)鏡。1994年，選址工作正式開始。南仁東和團(tuán)隊(duì)用12年時(shí)間，對(duì)照著300多張地圖，走遍我國西南地區(qū)1000多個(gè)洼地，終于選定了擁有天然石灰?guī)r溶地形、大小合適、人跡罕至的貴州省平塘縣，讓大科學(xué)裝置在此“安家落戶”。

 

大科學(xué)裝置的建造過程艱苦卓絕?？蒲腥藛T和建設(shè)者們住在板房里，室內(nèi)沒有熱水，沒有洗手間，室外全是土路。即使鋪好了路，也會(huì)被來往的重型卡車壓垮。

 

2016年9月19日，F(xiàn)AST系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功。調(diào)試團(tuán)隊(duì)第一次利用整體系統(tǒng)探測(cè)到人類此前發(fā)現(xiàn)的首顆脈沖星信號(hào)，這意味著裝置可以正常運(yùn)作。李菂感嘆，看著FAST一步步從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，真的是奇跡。

 

2017年8月27日，團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定目標(biāo)的跟蹤觀測(cè)，并穩(wěn)定地獲取了目標(biāo)源射電信號(hào)，這意味著FAST的“眼珠”可以轉(zhuǎn)動(dòng)了，也標(biāo)志著望遠(yuǎn)鏡最具難度、最具風(fēng)險(xiǎn)的功能性調(diào)試完成了。

 

“之后，F(xiàn)AST就可以克服地球的自轉(zhuǎn)，對(duì)天體目標(biāo)源進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。望遠(yuǎn)鏡的靈敏度不僅與接收面積有關(guān)，還與跟蹤時(shí)間有關(guān)。就像人的眼睛一樣，只是掃視一下的話，只能看個(gè)大概輪廓。如果想看清細(xì)節(jié)，就需要對(duì)著目標(biāo)仔細(xì)端詳。這也是裝置最重要的一個(gè)功能。”FAST總工程師、中科院國家天文臺(tái)研究員姜鵬說。

 

具備多領(lǐng)域超強(qiáng)“發(fā)現(xiàn)力”

 

“嘀—嘀—嘀”，顯示屏上，代表聲波的曲線有節(jié)奏的起伏。李菂說，這是FAST發(fā)現(xiàn)的第一顆脈沖星，研究者根據(jù)真實(shí)的脈沖信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成音頻與動(dòng)態(tài)圖像，可以更真切地感受脈沖星信號(hào)的規(guī)律性。

 

脈沖星是一種高速自轉(zhuǎn)的中子星，具有極高的磁場(chǎng)和密度。它的自轉(zhuǎn)周期精確穩(wěn)定，輻射出的電磁波可以看作是如同脈搏般的脈沖信號(hào)。因此，脈沖星被比作“宇宙的時(shí)鐘”，其準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)為引力波探測(cè)、航天器導(dǎo)航等重大科學(xué)及技術(shù)應(yīng)用提供了理想工具。脈沖星作為大質(zhì)量恒星坍縮后超新星爆發(fā)的產(chǎn)物，對(duì)于研究超新星爆發(fā)等宇宙現(xiàn)象也相當(dāng)重要。

 

2017年10月10日，F(xiàn)AST公布了第一個(gè)天文發(fā)現(xiàn)：一顆周期為1.9秒的脈沖星，距離地球有1.6萬光年。“那一天是我一生中印象最深的一天，就好像孕育了很久的孩子出生了一樣。”李菂說。

 

2018年2月，大科學(xué)裝置探測(cè)到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星。實(shí)際上，這顆脈沖星被地球上很多天文望遠(yuǎn)鏡“看”了多次卻都沒有“發(fā)現(xiàn)”，充分證明了FAST在靈敏度方面的優(yōu)勢(shì)。

 

從首次發(fā)現(xiàn)新脈沖星，到試運(yùn)行結(jié)束公布發(fā)現(xiàn)100余顆脈沖星，再到一舉突破300顆……FAST所發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量，在全球脈沖星搜索團(tuán)隊(duì)行列中首屈一指，成為脈沖星發(fā)現(xiàn)的重要貢獻(xiàn)者。

 

快速射電暴是科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，其持續(xù)時(shí)間只有千分之一秒，但卻能釋放太陽一天甚至一年輻射的總能量。2017年，美國康奈爾大學(xué)科學(xué)家利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)第一個(gè)重復(fù)的射電暴，從而找到了對(duì)應(yīng)星系。兩年后，F(xiàn)AST再次捕捉到了這個(gè)重復(fù)的快速射電暴，并持續(xù)探測(cè)到其一個(gè)多月的活躍爆發(fā)，獲取了迄今為止最大的快速射電暴事件集合。

 

2021年1月，團(tuán)隊(duì)又有新發(fā)現(xiàn)，利用2018年的數(shù)據(jù)找到了4個(gè)新的快速射電暴。“假設(shè)宇宙誕生于大爆炸時(shí)期，到目前為止，可以分成幼年、少年、青年、中年4個(gè)階段。FAST此次發(fā)現(xiàn)的四個(gè)快速射電暴都是在宇宙的少年時(shí)期，這使得我們?cè)谔剿饔钪嫫鹪捶矫娓M(jìn)一步了。”李菂說。

 

“兩暗一黑三起源。”這是天體物理領(lǐng)域的一句俗話，用來形容天文望遠(yuǎn)鏡的科學(xué)使命。“兩暗”是指暗物質(zhì)和暗能量，“一黑”是黑洞，“三起源”則是天體、宇宙和生命的起源?？茖W(xué)家介紹說，除了作為核心科學(xué)目標(biāo)的搜尋、發(fā)現(xiàn)脈沖星，F(xiàn)AST在很多領(lǐng)域都具備超強(qiáng)“發(fā)現(xiàn)力”，它可以驗(yàn)證很多科學(xué)規(guī)律，在引力理論、星系演化、恒星、行星乃至物質(zhì)和生命的起源等方面，都具備突破的潛力。它的使命還包括高效率地開展對(duì)地外生命的探索，尋找“外星人”是否存在的答案。

 

成為探索宇宙的“世界舞臺(tái)”

 

北京時(shí)間2021年3月31日零點(diǎn)，F(xiàn)AST向全世界天文學(xué)家發(fā)出邀約，征集觀測(cè)申請(qǐng)。所有國外申請(qǐng)項(xiàng)目統(tǒng)一參加評(píng)審，評(píng)審結(jié)果將于今年7月20日公布，觀測(cè)時(shí)間將從8月開始。

 

中科院國家天文臺(tái)有關(guān)負(fù)責(zé)人表示，F(xiàn)AST向世界全面開放，彰顯了中國與國際科學(xué)界充分合作的理念。在開放合作中，中國的科學(xué)重器將更好地發(fā)揮效能，促進(jìn)重大成果產(chǎn)出，為全人類探索和認(rèn)識(shí)宇宙作出貢獻(xiàn)。

 

李菂介紹說，早在項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí)，就確立了拓展人類宇宙視野的初衷，將向全球科學(xué)家開放?？茖W(xué)家申請(qǐng)使用FAST需要同行評(píng)審，根據(jù)項(xiàng)目建議書進(jìn)行打分，再由時(shí)間分配委員會(huì)進(jìn)行時(shí)長分配。預(yù)計(jì)將有10%的觀測(cè)時(shí)間分配給國外科學(xué)家。觀測(cè)申請(qǐng)的研究領(lǐng)域不做限制，但科學(xué)界普遍關(guān)心的項(xiàng)目將被優(yōu)先考慮，如多科學(xué)目標(biāo)漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈沖星測(cè)時(shí)、快速射電暴觀測(cè)等。

 

歷經(jīng)多年建設(shè)發(fā)展，F(xiàn)AST從無到有，逐漸成長為科學(xué)家探索宇宙的“世界舞臺(tái)”。

 

“在FAST建成以前，世界上沒有任何一座大型天文望遠(yuǎn)鏡可以同時(shí)觀測(cè)原子氫氣的成像和脈沖星的搜索。”利用大科學(xué)裝置，李菂和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天，實(shí)現(xiàn)在一次觀測(cè)中同時(shí)進(jìn)行氣體成像、搜索氣體星系、捕捉脈沖星和快速射電暴。團(tuán)隊(duì)預(yù)期成果能得到1000顆新脈沖星、50萬個(gè)新星系、100億個(gè)三維像素點(diǎn)的中性星和50個(gè)新的快速射電暴。“多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天將使得我們的科學(xué)產(chǎn)出效率極大提高。”

 

“南仁東老師曾經(jīng)說過，F(xiàn)AST既代表著科學(xué)家們?cè)谏潆娞煳倪@個(gè)領(lǐng)域的雄心壯志，也是中國天體物理和天文科學(xué)從追趕到超越的一次努力。”李菂說，未來兩年，F(xiàn)AST將致力于發(fā)現(xiàn)人類已知最遠(yuǎn)的脈沖星，將參與低頻引力波的探測(cè)，逐步地揭示宇宙中氣體、星系的成分……圍繞自身的科學(xué)目標(biāo)，F(xiàn)AST的嘗試才剛剛開始。“好奇心是科學(xué)家的樂趣，更是人類生存的必需。不停探索未知的宇宙奧秘，會(huì)取得更多我們現(xiàn)在還想象不到的成果。”