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        如果有一天地球要流浪,它就是宇宙中的燈塔

        2020-03-13 08:15:41崔辰州
        關(guān)鍵詞:中子星脈沖星銀河系

        崔辰州

        每次看關(guān)于FAST的短片,我的心情都難以平靜。有三個原因:第一個原因是緊張,每位來到這里的講者都有點緊張,我也是。

        第二個原因是自豪,以國家天文臺為首的團(tuán)隊已經(jīng)把FAST中國天眼打造成了我們的大國利器,我作為國家天文臺的一員,感覺真的很自豪。

        第三個原因就是緬懷。2017年9月15日,基本上正好是兩年前,我們的南仁東老師,也就是中國天眼的總設(shè)計師、總工程師離開了我們。他1994年提出了要建設(shè)中國的大射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想,經(jīng)過了20多年的努力,把這個夢想變成了現(xiàn)實。南老師走了,他留給我們后人,留給我們這些晚輩同事們一筆寶貴財富,也留給了國家一個大國利器。

        FAST真的很厲害,它是一個500米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡,是現(xiàn)在全世界最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡,因為它最大,意味著它也最靈敏。有一個笑話說,如果說這口“鍋”裝滿了茅臺酒——因為它就在貴州——全世界的人每人可以分上四瓶,按照現(xiàn)在的市值來講,這值不少的錢。

        FAST有很多技術(shù)創(chuàng)新。第一個創(chuàng)新就是它利用了貴州省喀斯特洼地這樣一個天然的“鍋”做臺址,給我們建造FAST節(jié)省了大量的成本。

        第二個就是它這個鍋不是一個死的鍋,而是活的鍋。它創(chuàng)造性地利用主動反射面技術(shù),讓FAST能夠在觀測時實時地變形,取得非常好的觀測效果。再有,在FAST建設(shè)過程中,我們?nèi)〉昧艘幌盗泄こ毯图夹g(shù)的創(chuàng)新。據(jù)我所知,在港珠澳大橋的建設(shè)過程中還應(yīng)用了FAST研究的成果。

        FAST在2016年初步建成,這兩年來FAST的工程團(tuán)隊一直在試運行這個設(shè)備。我們知道,這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng),需要很長時間調(diào)試才能達(dá)到最佳狀態(tài)。但就是在調(diào)試過程中,它的觀測威力已經(jīng)凸顯了出來。到目前為止,F(xiàn)AST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60多顆脈沖星。

        大家可能不知道什么叫脈沖星,我給大家簡單介紹一下。脈沖星是上個世紀(jì)60年代首次被發(fā)現(xiàn)的。英國天文學(xué)家Hewish和他的研究生Bell一起在檢查射電望遠(yuǎn)鏡觀測信號的時候,發(fā)現(xiàn)了周期性出現(xiàn)的脈沖信號。

        他們很激動,以為找到了傳說中的“小綠人”。小綠人是什么?是一個科幻小說里面說到的火星人,或者說地外生命。結(jié)果讓他們失望了,他們又發(fā)現(xiàn)了多次周期性出現(xiàn)的脈沖信號。后來搞懂了,原來他們發(fā)現(xiàn)了一種新的天體,叫作脈沖星。

        脈沖星其實是一種中子星。我們知道天上有很多恒星,恒星之所以發(fā)光發(fā)熱,是因為在它們的核心有一個巨大的核聚變反應(yīng)堆,氫元素聚變成氦元素。當(dāng)恒星這些燃料慢慢燒得差不多了,會爆炸開來,也就是說恒星會走向死亡。

        不同質(zhì)量的恒星死亡、爆炸時留下的痕跡,或者叫作歸宿,是不一樣的。小質(zhì)量恒星爆炸后會變成一顆白矮星;中等質(zhì)量恒星爆炸,這個過程叫作超新星的爆發(fā),之后會留下一顆中子星;大質(zhì)量的恒星爆炸,就會形成一個黑洞。

        中子星是一個非常致密的天體。我們知道原子是由質(zhì)子和電子組成,把原子的質(zhì)子和電子壓在一起,就會形成中子。很多很多的中子組成一個中子星。大部分星體都是由中子組成的,那是一個非常致密的天體。

        大家想象一下,這好比是我們把一個半的太陽壓縮到一個北京市的大小,這是一個何等的天體!難以想象。一個指甲頭大小的地方,也就是1立方厘米,它可以相當(dāng)于一千艘萬噸巨輪。

        有的中子星轉(zhuǎn)起來,一個十幾公里的星,每秒鐘能轉(zhuǎn)上千轉(zhuǎn)。你可以想象,如果說只是一個木頭球,或一個鐵球,十幾公里的球每秒鐘轉(zhuǎn)上千轉(zhuǎn),它可能早已經(jīng)被它的離心力給瓦解了。中子星不會。這就給我們帶來了一個極端的物理條件下的實驗室。中子星有強引力,有強磁場。我們宇宙中有四種基本的力——引力、電磁力、強作用力和弱作用力。這個實驗室在我們地球上是沒有辦法人為模擬出來的。

        中子星不單可以為科學(xué)研究提供這樣一個非常好的條件,還可以給社會、給我們?nèi)祟悗砗艽蟮膶嵱脙r值。這里我舉兩個例子,一個叫授時,一個叫導(dǎo)航。中子星的旋轉(zhuǎn)周期可以從秒到毫秒,它可以每秒鐘轉(zhuǎn)幾圈,也可以每秒轉(zhuǎn)上千圈,關(guān)鍵是它轉(zhuǎn)得非常穩(wěn)定,幾百年來、幾千年來都不會變。它的精確程度可以超過原子鐘,因此你可以把它當(dāng)作一個表。

        同時,它在宇宙中,在銀河系中,距離我們有幾十光年、幾百光年、幾千光年或者幾萬光年,可以說離我們非常遙遠(yuǎn);它又在旋轉(zhuǎn),脈沖信號周期性地掃過地球。就像燈塔的光束會掃過船只一樣,我們把脈沖星比作“宇宙中的燈塔”,它可以指引我們做宇宙航行。

        到目前為止,天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2700多個脈沖星,F(xiàn)AST兩年間就發(fā)現(xiàn)了60多顆??梢哉f,隨著FAST進(jìn)入到科學(xué)觀測之后,我們會有更多的期待。

        現(xiàn)在FAST就正在開展19波束多科學(xué)目標(biāo)同時巡天的項目。

        一個波束,大家可以理解成是一雙眼睛。以往我們的望遠(yuǎn)鏡基本上只有一個波束,或者說只有一雙眼睛在看,而FAST可以說是19雙眼睛同時在看,因此它巡天觀測的效率大大提升了。FAST有望在有限的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)上千顆脈沖星,數(shù)量可以超過我們過去幾十年發(fā)現(xiàn)的成果。

        脈沖星的信號從幾萬光年之外傳到地球上,其間并不是坦途一片,或者說宇宙中并不是真空,有很多星際的塵埃,有很多的介質(zhì)。電磁波也是一種粒子,這些粒子在穿越星際塵埃的時候會發(fā)生色散。高頻一點的電磁波會快一點到達(dá)地球,低頻的信號會稍稍慢一點,相當(dāng)于把原來同時產(chǎn)生的信號在時間上來了一個錯位。

        但同時電磁波再到地球的時候,這些信號又受到了很多人為干擾,比如手機(jī)基站,我們的飛機(jī)、衛(wèi)星,都會對這些射電信號形成干擾。因此,F(xiàn)AST或者射電望遠(yuǎn)鏡最后得到的是一個被污染了的信號。

        天文學(xué)家要去研究脈沖星,研究它的旋轉(zhuǎn)周期等物理特征,我們就要復(fù)原這些信號,要還原這些信號的本來面目,就要把剛才受到的那些干擾去掉。同時,因為我們不知道信號在傳過來的過程中到底經(jīng)過了哪些過程,因此它的色散的量我們是不知道的,我們要猜,要揣測它的值,最終確定脈沖星旋轉(zhuǎn)的周期是多少。

        這個過程不是那么簡單的。以FAST為例,F(xiàn)AST每月會產(chǎn)生300萬需要猜測周期的候選體。以往我們的脈沖星搜尋基本上靠人工,但是現(xiàn)在隨著FAST有了這么強大的觀測能力,300萬張圖單靠人工是完全不可能了,因此我們就寄希望于現(xiàn)代的信息技術(shù),包括現(xiàn)在非常時髦的AI人工智能。

        世界上還有更多的利器。這些望遠(yuǎn)鏡,這些重大的觀測設(shè)施,每天都在產(chǎn)生海量的天文數(shù)據(jù)。天文數(shù)據(jù)是科學(xué)研究的寶貴財富,因此要建立一個強大的數(shù)據(jù)中心。

        天文學(xué)是觀測的科學(xué)。國家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心是我們國家公布的第一批國家級的科學(xué)數(shù)據(jù)中心。我們可以說國家數(shù)據(jù)中心就像是一個數(shù)據(jù)中臺,它把數(shù)據(jù)全都聚集在了一起。我們要進(jìn)一步發(fā)揮這些數(shù)據(jù)的價值,給天文學(xué)家用,給公眾用,向社會開放,那我們就需要一個更好的業(yè)務(wù)中臺,這就是虛擬天文臺。

        虛擬天文臺就是要把先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用到天文學(xué),打造一個網(wǎng)絡(luò)化的科學(xué)研究、科普教育平臺;把這些數(shù)據(jù)開放出去,以全世界的觀測數(shù)據(jù)打造成一個數(shù)字宇宙。

        今天的主題是脈沖星?!安蛔R廬山真面目,只緣身在此山中”,我們存在于銀河系中,有很長一段時間,我們都不知道銀河系是什么樣子,我們在銀河系里面處在什么方位。經(jīng)過了很長時間的努力,我們終于搞清楚了。它是一個旋渦星系,太陽系帶著地球、火星等小兄弟,一起在第二個旋臂上邊緣的地方游蕩。這就是我們在銀河系中的位置。

        脈沖星是我們宇宙中的燈塔,人類要發(fā)展,文明要持續(xù)。也許以后我們會流浪,我們流浪到太空,怎么去識別方向?脈沖星可以為我們導(dǎo)航。但如果我們迷失了方向,怎么辦?脈沖星還可以幫助我們找到回家的路。

        (摘自《看天下》2019年第28期)

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