前不久，500米口徑球面射電望遠鏡對全球科學(xué)家開(kāi)放

　　中國天眼：讓人類(lèi)“看”得更遠

　　

 

 

　　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(shī)意地形容，半個(gè)多世紀以來(lái)，人類(lèi)接收到的宇宙信號的力量還不足以翻起一頁(yè)紙，遙遠的信號像雷聲中的蟬鳴，沒(méi)有超級靈敏的耳朵就分辨不出來(lái)。他們期待用更強有力的工具觀(guān)測來(lái)自遙遠星河的信息。

　　自2020年1月對國內開(kāi)放運行以來(lái)，借助全新的設計思路、得天獨厚的位置以及突破了天文望遠鏡百米工程的極限，“中國天眼”迄今已發(fā)現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)權的重大科研基礎設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(guān)景臺向下俯瞰，依托喀斯特地區“天坑”而建、直徑達500米的大科學(xué)裝置形似一口銀色“大鍋”，架在周?chē)?座高度超過(guò)百米的支撐塔上。

　　FAST首席科學(xué)家李菂介紹說(shuō)，該裝置是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡，它的觀(guān)測能力是德國波恩100米望遠鏡的10倍，是美國阿雷西博300米望遠鏡的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，它的設計目標，是要把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)大的信號聚集在一顆小藥丸大小的空間里，否則就難以監聽(tīng)到宇宙中微弱的射電信號。這個(gè)“小藥丸”就是饋源，放在饋源艙內——類(lèi)似一個(gè)收集衛星信號的喇叭式裝置，稱(chēng)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，FAST通過(guò)拉扯鋼索網(wǎng)來(lái)使天線(xiàn)鍋變向，這就要靠與鋼索網(wǎng)相連的2000多個(gè)小電機來(lái)控制完成。整個(gè)變向過(guò)程，由激光定位系統校準。懸空的饋源艙重達30噸，被6條400多米的鋼索吊起，移動(dòng)范圍可達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(shí)候，人們能聽(tīng)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(jiàn)的地下，還埋藏著(zhù)超過(guò)10萬(wàn)根光纖，為數據傳輸提供保障。

　　FAST的誕生可以追溯到上世紀90年代，天文學(xué)家南仁東提出要建設中國自己的巨型射電望遠鏡。1994年，選址工作正式開(kāi)始。南仁東和團隊用12年時(shí)間，對照著(zhù)300多張地圖，走遍我國西南地區1000多個(gè)洼地，終于選定了擁有天然石灰巖溶地形、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(hù)”。

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

　　2016年9月19日，FAST系統聯(lián)調成功。調試團隊第一次利用整體系統探測到人類(lèi)此前發(fā)現的首顆脈沖星信號，這意味著(zhù)裝置可以正常運作。李菂感嘆，看著(zhù)FAST一步步從設想變?yōu)楝F實(shí)，真的是奇跡。

　　2017年8月27日，團隊首次實(shí)現了對特定目標的跟蹤觀(guān)測，并穩定地獲取了目標源射電信號，這意味著(zhù)FAST的“眼珠”可以轉動(dòng)了，也標志著(zhù)望遠鏡最具難度、最具風(fēng)險的功能性調試完成了。

　　“之后，FAST就可以克服地球的自轉，對天體目標源進(jìn)行跟蹤觀(guān)測。望遠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(huà)，只能看個(gè)大概輪廓。如果想看清細節，就需要對著(zhù)目標仔細端詳。這也是裝置最重要的一個(gè)功能。”FAST總工程師、中科院國家天文臺研究員姜鵬說(shuō)。

　　具備多領(lǐng)域超強“發(fā)現力”

　　“嘀—嘀—嘀”，顯示屏上，代表聲波的曲線(xiàn)有節奏的起伏。李菂說(shuō)，這是FAST發(fā)現的第一顆脈沖星，研究者根據真實(shí)的脈沖信號強度轉換成音頻與動(dòng)態(tài)圖像，可以更真切地感受脈沖星信號的規律性。

　　脈沖星是一種高速自轉的中子星，具有極高的磁場(chǎng)和密度。它的自轉周期精確穩定，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(shí)鐘”，其準確的時(shí)鐘信號為引力波探測、航天器導航等重大科學(xué)及技術(shù)應用提供了理想工具。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)等宇宙現象也相當重要。

　　2017年10月10日，FAST公布了第一個(gè)天文發(fā)現：一顆周期為1.9秒的脈沖星，距離地球有1.6萬(wàn)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(shuō)。

　　2018年2月，大科學(xué)裝置探測到有史以來(lái)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鏡“看”了多次卻都沒(méi)有“發(fā)現”，充分證明了FAST在靈敏度方面的優(yōu)勢。

　　從首次發(fā)現新脈沖星，到試運行結束公布發(fā)現100余顆脈沖星，再到一舉突破300顆……FAST所發(fā)現的脈沖星數量，在全球脈沖星搜索團隊行列中首屈一指，成為脈沖星發(fā)現的重要貢獻者。

　　快速射電暴是科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，其持續時(shí)間只有千分之一秒，但卻能釋放太陽(yáng)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鏡發(fā)現第一個(gè)重復的射電暴，從而找到了對應星系。兩年后，FAST再次捕捉到了這個(gè)重復的快速射電暴，并持續探測到其一個(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，團隊又有新發(fā)現，利用2018年的數據找到了4個(gè)新的快速射電暴。“假設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，這使得我們在探索宇宙起源方面更進(jìn)一步了。”李菂說(shuō)。

　　“兩暗一黑三起源。”這是天體物理領(lǐng)域的一句俗話(huà)，用來(lái)形容天文望遠鏡的科學(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(shuō)，除了作為核心科學(xué)目標的搜尋、發(fā)現脈沖星，FAST在很多領(lǐng)域都具備超強“發(fā)現力”，它可以驗證很多科學(xué)規律，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(kāi)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(shí)間2021年3月31日零點(diǎn)，FAST向全世界天文學(xué)家發(fā)出邀約，征集觀(guān)測申請。所有國外申請項目統一參加評審，評審結果將于今年7月20日公布，觀(guān)測時(shí)間將從8月開(kāi)始。

　　中科院國家天文臺有關(guān)負責人表示，FAST向世界全面開(kāi)放，彰顯了中國與國際科學(xué)界充分合作的理念。在開(kāi)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(lèi)探索和認識宇宙作出貢獻。

　　李菂介紹說(shuō)，早在項目立項時(shí)，就確立了拓展人類(lèi)宇宙視野的初衷，將向全球科學(xué)家開(kāi)放?？茖W(xué)家申請使用FAST需要同行評審，根據項目建議書(shū)進(jìn)行打分，再由時(shí)間分配委員會(huì )進(jìn)行時(shí)長(cháng)分配。預計將有10%的觀(guān)測時(shí)間分配給國外科學(xué)家。觀(guān)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(shí)、快速射電暴觀(guān)測等。

　　歷經(jīng)多年建設發(fā)展，FAST從無(wú)到有，逐漸成長(cháng)為科學(xué)家探索宇宙的“世界舞臺”。

　　“在FAST建成以前，世界上沒(méi)有任何一座大型天文望遠鏡可以同時(shí)觀(guān)測原子氫氣的成像和脈沖星的搜索。”利用大科學(xué)裝置，李菂和團隊設計了多科學(xué)目標同時(shí)巡天，實(shí)現在一次觀(guān)測中同時(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。團隊預期成果能得到1000顆新脈沖星、50萬(wàn)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(shuō)過(guò)，FAST既代表著(zhù)科學(xué)家們在射電天文這個(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(shuō)，未來(lái)兩年，FAST將致力于發(fā)現人類(lèi)已知最遠的脈沖星，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，FAST的嘗試才剛剛開(kāi)始。“好奇心是科學(xué)家的樂(lè )趣，更是人類(lèi)生存的必需。不停探索未知的宇宙奧秘，會(huì )取得更多我們現在還想象不到的成果。”