看宇宙的“大眼睛”成為探索宇宙的“世界舞臺”

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。

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

自2020年1月對國內(nèi)開放運行以來，借助全新的設(shè)計思路、得天獨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塊三角形主動反射面，它的設(shè)計目標(biāo)，是要把覆蓋30個足球場大的信號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。這個“小藥丸”就是饋源，放在饋源艙內(nèi)——類似一個收集衛(wèi)星信號的喇叭式裝置，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)來使天線鍋變向，這就要靠與鋼索網(wǎng)相連的2000多個小電機來控制完成。整個變向過程，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，大科學(xué)裝置才能正常工作。

在風(fēng)勢較大時候，人們能聽到整個FAST發(fā)出的陣陣悅耳“風(fēng)鈴聲”——那是它的反射單元震動發(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)隊用12年時間，對照著300多張地圖，走遍我國西南地區(qū)1000多個洼地，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)隊第一次利用整體系統(tǒng)探測到人類此前發(fā)現(xiàn)的首顆脈沖星信號，這意味著裝置可以正常運作。李菂感嘆，看著FAST一步步從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實，真的是奇跡。

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

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

具備多領(lǐng)域超強“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)真實的脈沖信號強度轉(zhuǎn)換成音頻與動態(tài)圖像，可以更真切地感受脈沖星信號的規(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。因此，脈沖星被比作“宇宙的時鐘”，其準(zhǔn)確的時鐘信號為引力波探測、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)裝置探測到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星。實際上，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。

從首次發(fā)現(xiàn)新脈沖星，到試運行結(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)第一個重復(fù)的射電暴，從而找到了對應(yīng)星系。兩年后，F(xiàn)AST再次捕捉到了這個重復(fù)的快速射電暴，并持續(xù)探測到其一個多月的活躍爆發(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)隊又有新發(fā)現(xiàn)，利用2018年的數(shù)據(jù)找到了4個新的快速射電暴?！凹僭O(shè)宇宙誕生于大爆炸時期，到目前為止，可以分成幼年、少年、青年、中年4個階段。FAST此次發(fā)現(xiàn)的四個快速射電暴都是在宇宙的少年時期，這使得我們在探索宇宙起源方面更進(jìn)一步了?！崩钋呎f。

“兩暗一黑三起源?！边@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“發(fā)現(xiàn)力”，它可以驗證很多科學(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”

北京時間2021年3月31日零點，F(xiàn)AST向全世界天文學(xué)家發(fā)出邀約，征集觀測申請。所有國外申請項目統(tǒng)一參加評審，評審結(jié)果將于今年7月20日公布，觀測時間將從8月開始。

中科院國家天文臺有關(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)識宇宙作出貢獻(xiàn)。

李菂介紹說，早在項目立項時，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)家申請使用FAST需要同行評審，根據(jù)項目建議書進(jìn)行打分，再由時間分配委員會進(jìn)行時長分配。預(yù)計將有10%的觀測時間分配給國外科學(xué)家。觀測申請的研究領(lǐng)域不做限制，但科學(xué)界普遍關(guān)心的項目將被優(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、脈沖星測時、快速射電暴觀測等。

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”。

“在FAST建成以前，世界上沒有任何一座大型天文望遠(yuǎn)鏡可以同時觀測原子氫氣的成像和脈沖星的搜索?！崩么罂茖W(xué)裝置，李菂和團(tuán)隊設(shè)計了多科學(xué)目標(biāo)同時巡天，實現(xiàn)在一次觀測中同時進(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)隊預(yù)期成果能得到1000顆新脈沖星、50萬個新星系、100億個三維像素點的中性星和50個新的快速射電暴?！岸嗫茖W(xué)目標(biāo)同時巡天將使得我們的科學(xué)產(chǎn)出效率極大提高?！?/p>

“南仁東老師曾經(jīng)說過，F(xiàn)AST既代表著科學(xué)家們在射電天文這個領(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?！崩钋呎f，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，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，會取得更多我們現(xiàn)在還想象不到的成果?！?/p>

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