袁懋

原本除了中國(guó)“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(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。不過(guò)令人惋惜的是，2020年12月1日，服務(wù)天文學(xué)長(zhǎng)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(tái)砸穿望遠(yuǎn)鏡巨大反射面，最終退出歷史舞臺(tái)，給一個(gè)時(shí)代劃上了終結(jié)符。如今，全球只剩下中國(guó)“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(guò)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(kāi)了今天可觀測(cè)宇宙演化的序幕。

作為宇宙中最古老、最簡(jiǎn)單、分布最廣泛的成分，中性氫的研究既可以用來(lái)追溯宇宙演化歷史，也可以用來(lái)研究星系物質(zhì)分布、動(dòng)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(dú)特的射電輻射（由于其波長(zhǎng)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(hào)。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(cè)中性氫上有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。2020年7月，中國(guó)科學(xué)家用FAST已成功探測(cè)到了3個(gè)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(guò)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?cè)睾谋M，自身引力會(huì)引發(fā)星體坍縮。小質(zhì)量的恒星（諸如太陽(yáng)）會(huì)留下白矮星;超大質(zhì)量的恒星可能會(huì)留下一個(gè)黑洞;中等質(zhì)量的恒星坍縮后就會(huì)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(jiàn)光（亮白色區(qū)域）范圍外，還有大量的射電波段探測(cè)到的中性氫氣體（藍(lán)色區(qū)域）? （圖片來(lái)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(jí)約10萬(wàn)倍地球質(zhì)量），半徑?。▋H10千米左右）。如此巨大的質(zhì)量被壓縮在僅一個(gè)城市大小的空間內(nèi)，其密度之高，壓強(qiáng)之大令人無(wú)法想象。此時(shí)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(lái)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(gè)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(jí)輻射出來(lái)被望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到后，我們就可以根據(jù)探測(cè)到的脈沖周期來(lái)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(guò)了目前人類的時(shí)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(qiáng)磁場(chǎng)、超強(qiáng)引力場(chǎng)、超高溫等）一些基本的物理規(guī)律，也可以用于布局未來(lái)的脈沖星星際導(dǎo)航。此外，脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)也可以用來(lái)探測(cè)引力波。由于脈沖星周期特別穩(wěn)定，通常情況下兩個(gè)脈沖到達(dá)地球的時(shí)間間隔應(yīng)該相同。如果在傳播過(guò)程中，脈沖穿過(guò)被引力波擾動(dòng)的時(shí)空，那么其到達(dá)時(shí)間勢(shì)必受到影響。通過(guò)測(cè)量脈沖星脈沖到達(dá)時(shí)間的間隔，可以間接得到引力波。

對(duì)脈沖星的研究，F(xiàn)AST也具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。超高的靈敏度可以幫助人們探測(cè)到以往其他設(shè)備無(wú)法探測(cè)到的弱射電脈沖星信號(hào)，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(shí)間等。目前，中國(guó)科學(xué)家利用FAST已經(jīng)探測(cè)到了數(shù)百顆新的射電脈沖星，引力波探測(cè)也在進(jìn)行當(dāng)中。

快速射電暴：

來(lái)自宇宙的神秘信號(hào)

快速射電暴（Fast Radio Burst，簡(jiǎn)稱FRB），顧名思義，就是短時(shí)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(shí)，首次發(fā)現(xiàn)了這種異常的輻射爆發(fā)，不過(guò)一開(kāi)始人們對(duì)其地外起源表示懷疑。后來(lái)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多個(gè)類似爆發(fā)后，天文學(xué)家才開(kāi)始意識(shí)到這是一種以前未探測(cè)到的宇宙信號(hào)。

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(kāi)的這些射電暴基本上均被確認(rèn)為銀河系外起源。不過(guò)，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(jī)制產(chǎn)生了如此強(qiáng)大的能量爆發(fā)呢？雖然目前尚無(wú)定論，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這種爆發(fā)可能來(lái)自某些致密天體類似太陽(yáng)爆發(fā)的星體活動(dòng)，比如白矮星、中子星以及黑洞等。對(duì)其物理過(guò)程以及起源天體的研究已成為了天文學(xué)的前沿?zé)衢T(mén)領(lǐng)域。

2020年4月，F(xiàn)AST探測(cè)到的第一顆FRB公開(kāi)發(fā)表（由國(guó)家天文臺(tái)研究員朱煒瑋等完成）。得益于FAST強(qiáng)大的性能，科學(xué)家探測(cè)到了這顆FRB罕見(jiàn)的多個(gè)爆發(fā)成分。目前，天眼團(tuán)隊(duì)已探測(cè)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(shì)，探測(cè)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(xiàng)世界級(jí)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被各國(guó)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(jī)或無(wú)機(jī)分子。很長(zhǎng)一段時(shí)間以來(lái)，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(méi)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(huì)吸收特定頻率的電磁波，因此可以通過(guò)觀測(cè)電磁波譜在某些頻率的吸收線來(lái)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(shí)空漣漪會(huì)影響脈沖星脈沖到達(dá)地球的時(shí)間

為什么宇宙空間會(huì)存在星際分子呢？這得從恒星的“一生”說(shuō)起。恒星誕生之初基本只有簡(jiǎn)單的氫元素。經(jīng)過(guò)不斷的核聚變，最簡(jiǎn)單的氫元素會(huì)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(shí)，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(gè)演化過(guò)程，恒星也合成了一些簡(jiǎn)單的分子物質(zhì)。簡(jiǎn)單的分子物質(zhì)在宇宙空間中經(jīng)過(guò)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(jī)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?yàn)楹芸赡芫褪切请H分子給地球生命的誕生帶來(lái)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(gè)角落，相信不久的將來(lái)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(lái)，這是一個(gè)令無(wú)數(shù)人好奇但一直沒(méi)有獲得答案的問(wèn)題，直到今天它依然充滿誘惑。相對(duì)其他觀測(cè)科學(xué)，地外文明搜尋一直以來(lái)都是一個(gè)充滿科幻色彩的課題。

第一個(gè)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(qiáng)，能探測(cè)到的信號(hào)越來(lái)越多，這一曾經(jīng)科幻的課題變得越來(lái)越有科學(xué)上的可行性了。曾幾何時(shí)，人類第一次探測(cè)到脈沖星信號(hào)時(shí)，也曾認(rèn)為是外星“小綠人”發(fā)來(lái)的。如果我們捕捉到異常的、不曾看到的信號(hào)，那么就值得對(duì)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(hào)

FAST可以捕捉到非常微弱的射電信號(hào)，除了一些我們熟知的射電源外，有些是我們暫時(shí)不能很好解釋的干擾信號(hào)。自FAST投入運(yùn)行以來(lái)，美國(guó)伯克利大學(xué)SETI團(tuán)隊(duì)就與天眼團(tuán)隊(duì)展開(kāi)了深度合作，共同開(kāi)發(fā)了一套系統(tǒng)，實(shí)時(shí)篩選FAST收集到的信號(hào)，捕捉地外文明的蛛絲馬跡。

隨著阿雷西博的退役，一個(gè)大射電時(shí)代宣告謝幕，退出了歷史舞臺(tái)。作為接力者，中國(guó)“天眼”將開(kāi)啟另一個(gè)嶄新的大射電時(shí)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(dòng)人類對(duì)宇宙新的認(rèn)知！