04 脈沖星與“中國天眼”

導(dǎo)語：2017年10月10日，中國科學(xué)院國家天文臺宣布，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）經(jīng)過一年緊張調(diào)試，已實現(xiàn)指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行，并確認(rèn)多顆新發(fā)現(xiàn)脈沖星。

“天眼”工程副總工程師李菂介紹，“天眼”調(diào)試進(jìn)展超過預(yù)期，目前已探測到數(shù)十個優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中6顆通過國際認(rèn)證。

這其實是一件大事！其意義不僅限于實現(xiàn)了我國在脈沖星探測領(lǐng)域“零的突破”，更重要的是，為將來更重要的探索開了一個好頭，好戲還在后頭。

那么，脈沖星到底是什么？中國發(fā)現(xiàn)這樣的“星星”究竟有何意義？

詭異之星

先來說說被發(fā)現(xiàn)的脈沖星是什么？

宇宙萬物都要經(jīng)歷死亡，時刻散發(fā)光和熱的恒星也免不了。有一些恒星死亡之后會爆炸，變成超新星。超新星爆炸以后剩下的渣滓，有一部分就是中子星，如果這個中子星碰巧有磁場，那么它旋轉(zhuǎn)起來就會形成脈沖星，也就是說，脈沖星其實是特殊的中子星。

對人類來說，單純的中子星就很詭異：中子星的個頭只有一座小型城市那么大，但質(zhì)量卻比太陽還要重。這么說吧，假設(shè)有一個天平，一端盛上一茶匙的中子星物質(zhì)，另一端則需要一座高達(dá)3000米的山峰才能相抵。

對于想造訪中子星的人類來說，在中子星上著陸是永不可能的。中子星表面強(qiáng)大的引力會瞬間把飛船以及里面的一切都壓成糊狀的亞原子粒子。

而作為特殊中子星的脈沖星，除了具備中子星的普遍特性之外，最大的特點就是它的輻射束會周期性快速掃過地球，使地球人看到一個個周期脈沖。

這和我們在海里航行時看到過的燈塔有點像。設(shè)想一座燈塔總是亮著而且不停地有規(guī)則地運動，燈塔每轉(zhuǎn)一圈，由它窗口射出的燈光就射到我們的船上一次。燈塔不斷旋轉(zhuǎn)，在我們看來，它的光就連續(xù)地一明一滅。

脈沖星也是一樣，它每自轉(zhuǎn)一周，我們就接收到一次它輻射的電磁波，于是就形成一斷一續(xù)的脈沖，這種現(xiàn)象也叫“燈塔效應(yīng)”。

這樣看來，脈沖星這樣極端的天體是世人難以想象的存在。

1967年，英國女科學(xué)家約瑟琳·貝爾意外發(fā)現(xiàn)了脈沖星。當(dāng)時，接收到的脈沖星信號為無線電波，就像以前的電報信號一樣，嗒嗒，嗒嗒嗒……她以為接收到的是外星人的信號，所以給這顆星取名“小綠人一號”。

后來，貝爾又發(fā)現(xiàn)幾顆脈沖星，而且信號來自四面八方。銀河系各界的外星人，怎么會湊巧在同一時間給地球發(fā)信號？這顯然是不太可能的，這樣就暫時排除了信號是來自外星人的可能性。

經(jīng)過仔細(xì)分析，貝爾在Nature上發(fā)表了這種未知的天體，因這種星體不斷地發(fā)出電磁波脈沖信號，就把它命名為“脈沖星”。

這里有一點需要注意，我們在地球上接收到的信號，其實是很早前發(fā)出的。就拿“天眼”發(fā)現(xiàn)新脈沖星舉例，這兩顆分別距離地球1.56萬光年和4100光年，信號發(fā)射之后，需要1.56萬年和4100年才能到達(dá)地球。

搜尋競賽

20世紀(jì)60年代，是射電天文學(xué)方興未艾的時代，也是國際射電天文學(xué)界群雄逐鹿的年代。人類第一次大規(guī)模地透過光學(xué)以外的電磁波窗口向宇宙好奇地瞭望，所見的一切都是新鮮的。

貝爾發(fā)現(xiàn)脈沖星的消息一經(jīng)發(fā)出，頓時轟動全球，被譽為20世紀(jì)天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一（另外三個是類星體、星際有機(jī)分子和微波背景輻射），為天文學(xué)和天體物理研究開辟了新的領(lǐng)域，也為各國的國際競賽開辟了新的跑道。

得益于“二戰(zhàn)”中為防御德國空軍而成長起來的雷達(dá)技術(shù)，美國、英國及其前殖民地澳大利亞的射電天文技術(shù)發(fā)展暫時領(lǐng)先。

到發(fā)現(xiàn)脈沖星的10周年（1977年），各國共發(fā)現(xiàn)脈沖星149顆。

1978年，澳大利亞的莫朗格洛望遠(yuǎn)鏡在“科學(xué)的春天”發(fā)力領(lǐng)跑，一鼓作氣將已知脈沖星數(shù)量翻了一倍多，達(dá)到了320顆。

不過，在接下來的20年中，新脈沖星發(fā)現(xiàn)的步伐只能說不緊不慢：在美屬波多黎各、當(dāng)時世界最大的、口徑達(dá)到305米的望遠(yuǎn)鏡阿雷西博，美國綠岸天文臺91米望遠(yuǎn)鏡，英國喬德雷爾·班克天文臺76米望遠(yuǎn)鏡，以及澳大利亞帕克斯天文臺64米望遠(yuǎn)鏡的共同努力下，到脈沖星發(fā)現(xiàn)的30周年（1997年），各國脈沖星搜尋的累計戰(zhàn)果僅擴(kuò)大到了705顆。

由此可以看出，在搜尋的前30年，脈沖星的發(fā)現(xiàn)增長幾乎是線性，而非指數(shù)的。這也是由射電望遠(yuǎn)鏡的特性所決定的：一般一次只能觀測一個方向，也就是說，射電望遠(yuǎn)鏡是一個只能一個點一個點連續(xù)拍照的“單像素”相機(jī)。

“天眼”發(fā)力

由于歷史和設(shè)備原因，我國其他射電望遠(yuǎn)鏡探測到過多顆已知脈沖星，但沒發(fā)現(xiàn)過新脈沖星。這次可以發(fā)現(xiàn)新的脈沖星，要歸功于具有極高靈敏度的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。

FAST位于貴州省平塘縣名為大窩凼的喀斯特洼地之中，它突破了射電望遠(yuǎn)鏡工程極限，是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，接收面積相當(dāng)于30個足球場大小，被譽為“中國天眼”。

那么這個“中國天眼”，到底有多牛？

*它是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的“大國重器”。

*它是世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，比德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡的靈敏度高10倍，比美國阿雷西博350米望遠(yuǎn)鏡的綜合性高10倍。

*它一開機(jī)，就能收到1351光年外的電磁信號，未來可用于捕捉外星生命信號！

2016年9月25日，F(xiàn)AST在貴州平塘的喀斯特洼坑中落成啟用。

目前，F(xiàn)AST已實現(xiàn)指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行，調(diào)試進(jìn)展超過預(yù)期及大型同類設(shè)備的國際慣例；而且，已經(jīng)開始系統(tǒng)的科學(xué)產(chǎn)出。

這其中就包括對外發(fā)布的“新脈沖星的發(fā)現(xiàn)”——從2017年8月FAST開展掃描試觀測以來，不到2個月內(nèi)就發(fā)現(xiàn)了6顆脈沖星。

那么，F(xiàn)AST怎么找到遙遠(yuǎn)的脈沖星呢？

形象地來說，如果FAST是一位男生，脈沖星是銀河系范圍里的女生。FAST不是“只盯著一個姑娘看”，它的策略是選定一個大方向——赤道以南的天空區(qū)域，等著，對川流不息的人群進(jìn)行連續(xù)“拍照”，然后再從這些照片中尋找“意中人”。

未來，F(xiàn)AST在脈沖星搜尋領(lǐng)域更是大有可為。

若說過去50年，脈沖星家族新成員的發(fā)現(xiàn)是西方發(fā)達(dá)國家說了算的話，那未來20年可能要更多地指望中國了。FAST有望發(fā)現(xiàn)更多奇妙、新型的脈沖星系統(tǒng)，探索愛因斯坦提出的地球上無法驗證的各種假說。

中國為何有此底氣？

因為在FAST之前，地球上所有望遠(yuǎn)鏡都只能看見銀河系里的脈沖星。

而隨著FAST加入射電望遠(yuǎn)鏡家族，科學(xué)家預(yù)測人類發(fā)現(xiàn)的脈沖星家族有望擴(kuò)員一倍，而且會看見河外星系的脈沖星，甚至是圍繞黑洞的脈沖星。銀河系約有6萬顆可觀測的脈沖星，目前只探測到了約4.5%, FAST具有高靈敏度和分辨率，使得很多暗弱的脈沖星均在其視野里，預(yù)計可測4000顆以上脈沖星。

可以說，“中國天眼”FAST在20年內(nèi)都有望保持世界一流望遠(yuǎn)鏡的地位。

觸摸未來

探索脈沖星對我們來說究竟有何意義呢？

其實，一個基礎(chǔ)科研成果，短期內(nèi)是看不到惠及人類的效果的。但是從長遠(yuǎn)來看，探索脈沖星為我們打開了新世界的大門。

首先，脈沖星是一種理想的天體物理實驗室。

很早以前，物理學(xué)就陷入了“實驗物理遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論物理”的掙扎中。

也就是說，理論物理學(xué)家已經(jīng)提出了一大堆合理假說，但是實驗卻難以驗證，這一點，在天體物理方面表現(xiàn)得尤為明顯。

而脈沖星就是一種理想的天體物理實驗室，它高度致密，又有強(qiáng)引力場，具有在地面實驗室無法實現(xiàn)的極端物理性質(zhì)。沒有這個實驗室，很多天體物理方面的假說就只能是假說。而對其進(jìn)行研究，就有希望得到許多重大物理學(xué)問題的答案。

其次，脈沖星可用來探測引力波。

引力波是宇宙中難以捉摸的漣漪，理論預(yù)言其產(chǎn)生于大尺度宇宙事件，例如在宇宙早期，兩個星系合并后其中心產(chǎn)生大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，以及大爆炸早期瞬間產(chǎn)生的宇宙膨脹遺跡。

雖然在沒有霧霾和城市光污染的夜晚里，我們能看到璀璨的星河，但是要知道真正的宇宙中，大部分地方（90%以上）都是無盡的黑暗。而且這種黑暗是真正的、永恒的黑暗——因為它們是黑洞和暗物質(zhì)，不管造多強(qiáng)多好的望遠(yuǎn)鏡，對這些黑暗我們都束手無策。

有了引力波探測之后，我們終于有能力去探測宇宙的黑暗里到底有什么。雖然暗物質(zhì)無形無色，但是它有著巨大的質(zhì)量，利用引力波我們終于能捕捉到它的蛛絲馬跡。

當(dāng)引力波傳來時，它會使得“時空”發(fā)生擾動。這時如果利用大型射電望遠(yuǎn)鏡觀測多顆不同方向的脈沖星，會發(fā)現(xiàn)有的脈沖星信號到達(dá)時間提前，有的脈沖星信號到達(dá)時間滯后，從而提出干擾影響，直接探測到引力波的存在。

這可了不得！要知道，2017年諾貝爾物理學(xué)獎就花落引力波探測，引力波是愛因斯坦廣義相對論中的重要推論。對引力波的探測不僅可以進(jìn)一步驗證廣義相對論的正確性，而且將為人類展現(xiàn)出一幅全新的物質(zhì)世界圖景：茫茫宇宙，只要有物質(zhì)，就有引力輻射。

最后，脈沖星可用于宇宙導(dǎo)航。

如果將來人類飛到太陽系以外，世界各國的多種自主導(dǎo)航方法，無論是慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航，還是天文導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航等都會失效。

那茫茫宇宙我們靠什么來導(dǎo)航呢？

脈沖星的信號！脈沖星導(dǎo)航具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、無須地面系統(tǒng)支持等特點，尤其在深空、戰(zhàn)爭等極端條件下對航天器自主導(dǎo)航具有不可替代的優(yōu)勢，是各航天強(qiáng)國爭相發(fā)展的尖端技術(shù)。

探索未知、追尋真理、掌握命運、敬畏自然是我們?nèi)祟惖奶煨?。利用脈沖星，邁出“開眼看宇宙”的堅實一步，就像我們在茫茫大海中有了地圖，去揚帆探索“新大陸”。

告慰南老

說到FAST首秀帶來的成就，就一定要提一位天文學(xué)家——南仁東。

2017年9月16日，中國科學(xué)院國家天文臺發(fā)布訃告，中國著名天文學(xué)家、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）工程首席科學(xué)家兼總工程師南仁東病逝，享年72歲。

古有十年磨一劍，今有二十年塑天眼。在懷念南仁東時，他的同事和學(xué)生們說，“南老師20多年只做了這一件事”。

南仁東和FAST的緣分，要從1993年說起。

那一年，日本東京召開國際無線電科學(xué)聯(lián)盟大會，人們希望在全球電波環(huán)境惡化到不可收拾之前，建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”。

時任中國科學(xué)院北京天文臺副臺長的南仁東，一把推開代表中國參會的吳盛殷的門，直率地說：“咱們也建一個吧。”

那時的南仁東才回國三年，此前他在日本國立天文臺當(dāng)客座教授，一天的薪水相當(dāng)于國內(nèi)一年?？僧?dāng)北京天文臺需要他時，他立刻就回來了。

從此，他參與到FAST設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)當(dāng)中。

為了在貴州選到最適合建造500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的位置，南仁東白天黑夜不停地走訪。以當(dāng)時的道路條件，每天最多走1～2個窩凼。他晚上回到縣城，白天再跋涉過來。

直到有一天，踏上大窩凼，這是一大片漏斗天坑群，像天然的巨碗。四周的青山抱著一片洼地，山上郁郁蔥蔥，幾排灰瓦的木屋陳列其中，雞犬之聲不絕于耳。

南仁東站在窩凼中間，興奮地說：“這里好圓?！?/p>

初期勘探結(jié)束后，其他人大多回到了原先的工作崗位，只有南仁東滿中國跑。為了尋求技術(shù)合作，他坐火車從哈工大到同濟(jì)，再從同濟(jì)到西安電子科技大學(xué)。

他還設(shè)法多參加國家會議，逢人就推銷項目。“我開始拍全世界的馬屁，讓全世界來支持我們?！苯?jīng)歷了艱辛的10多年，F(xiàn)AST項目總算漸漸有了名氣。

2006年，中國科學(xué)院召開各院長會議，聽取各個“十一五”大科學(xué)工程的立項申請匯報，南仁東在會上為FAST申請立項得到通過。在最后的國際評審中，他用英文發(fā)言，由于提前把整篇稿子背了下來，評審最后，國際專家開玩笑說：“英文不好不壞，別的沒說清楚，但要什么，他說得特別明白。”

2007年，國家批復(fù)FAST立項。2011年3月，村民搬遷完畢，F(xiàn)AST工程正式動工建設(shè)。開工那天，南仁東在洼地上，默默看著工人們砍樹平地，他對身旁的工作人員說：“造不好，怎么對得起人家？”

關(guān)鍵技術(shù)無先例可循、關(guān)鍵材料急需攻關(guān)、核心技術(shù)遭遇封鎖……從選址到建成的22年時間里，南仁東帶領(lǐng)老中青三代科技工作者克服了不可想象的困難，實現(xiàn)了由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越。

南仁東曾這樣描述自己為什么為FAST這么拼命：

“我談不上有高尚的追求，沒有特別多的理想，大部分時間是不得不做……人總得有個面子吧，你往辦公室一攤，什么也不做，那不是個事?！?/p>

“我特別怕虧欠別人，國家投了那么多錢，國際上又有人說你在吹牛皮，我就得負(fù)點責(zé)任?！?/p>

這是FAST項目從安裝第一塊反射面板到即將完成的過程（拼版照片）

左上為：FAST安裝第一塊反射面板（2015年8月2日攝）

右上為：FAST反射面板安裝近半（2015年12月16日攝）

左下為：FAST反射面板安裝近八成（2016年3月9日攝）

右下為：FAST反射面板安裝完成（2016年7月3日攝）

2016年9月，已罹患肺癌并在手術(shù)中傷及聲帶的南仁東，不顧舟車勞頓，從北京飛赴貴州，在遠(yuǎn)處默默目睹經(jīng)歷了漫長成長歲月的“中國天眼”正式啟用。

在他的注視下，這項雄偉的工程從此凝望太空、永恒堅守。或許某天，中國人就能代表人類接收到外星文明發(fā)出的訊號……

如今，F(xiàn)AST碩果累累，南老也可瞑目。

“20多年的研究，我終于看見了你，而你卻再看不見我?！?/p>

（本文綜合自《科技導(dǎo)報》、央視新聞、果殼科學(xué)人、中國日報網(wǎng)等）

撰文：李浩然