對全球科學家開放 中國天眼讓人類“看”得更遠

 

清晨拍攝的“中國天眼”全景。新華社發

 

 

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鏡（FAST）坐落在群山環抱之中，像地球上的一隻巨眼，靜靜凝望天空，探尋百億光年之外的射電信號。

 

科學家曾詩意地形容，半個多世紀以來，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星河的信息。

 

自2020年1月對國內開放運行以來，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”迄今已發現300余顆脈衝星，並在快速射電暴等研究領域取得重大突破。今年3月31日，這一具有我國自主知識産權的重大科研基礎設施又正式向全世界的天文學家發出邀約，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，依託喀斯特地區“天坑”而建、直徑達500米的大科學裝置形似一口銀色“大鍋”，架在周圍6座高度超過百米的支撐塔上。

 

FAST首席科學家李菂介紹説，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。

 

大科學裝置的表面共有4500塊三角形主動反射面，它的設計目標，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裏，否則就難以監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——類似一個收集衛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帆的方向，FAST通過拉扯鋼索網來使天線鍋變向，這就要靠與鋼索網相連的2000多個小電機來控制完成。整個變向過程，由鐳射定位系統校準。懸空的饋源艙重達30噸，被6條400多米的鋼索吊起，移動範圍可達200米。鋼索網、饋源艙接收器，每一部分的位移都要控制在毫米級，大科學裝置才能正常工作。

 

在風勢較大時候，人們能聽到整個FAST發出的陣陣悅耳“風鈴聲”——那是它的反射單元震動發出的低頻聲響。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，選址工作正式開始。南仁東和團隊用12年時間，對照著300多張地圖，走遍我國西南地區1000多個洼地，終於選定了擁有天然石灰岩溶地形、大小合適、人跡罕至的貴州省平塘縣，讓大科學裝置在此“安家落戶”。

 

大科學裝置的建造過程艱苦卓絕。科研人員和建設者們住在板房裏，室內沒有熱水，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，FAST系統聯調成功。調試團隊第一次利用整體系統探測到人類此前發現的首顆脈衝星信號，這意味著裝置可以正常運作。李菂感嘆，看著FAST一步步從設想變為現實，真的是奇跡。

 

2017年8月27日，團隊首次實現了對特定目標的跟蹤觀測，並穩定地獲取了目標源射電信號，這意味著FAST的“眼珠”可以轉動了，也標誌著望遠鏡最具難度、最具風險的功能性調試完成了。

 

“之後，FAST就可以克服地球的自轉，對天體目標源進行跟蹤觀測。望遠鏡的靈敏度不僅與接收面積有關，還與跟蹤時間有關。就像人的眼睛一樣，只是掃視一下的話，只能看個大概輪廓。如果想看清細節，就需要對著目標仔細端詳。這也是裝置最重要的一個功能。”FAST總工程師、中科院國家天文臺研究員姜鵬説。

 

具備多領域超強“發現力”

 

“嘀—嘀—嘀”，顯示屏上，代表聲波的曲線有節奏的起伏。李菂説，這是FAST發現的第一顆脈衝星，研究者根據真實的脈衝信號強度轉換成音頻與動態圖像，可以更真切地感受脈衝星信號的規律性。

 

脈衝星是一種高速自轉的中子星，具有極高的磁場和密度。它的自轉週期精確穩定，輻射出的電磁波可以看作是如同脈搏般的脈衝信號。因此，脈衝星被比作“宇宙的時鐘”，其準確的時鐘信號為引力波探測、航天器導航等重大科學及技術應用提供了理想工具。脈衝星作為大品質恒星坍縮後超新星爆發的産物，對於研究超新星爆發等宇宙現象也相當重要。

 

2017年10月10日，FAST公佈了第一個天文發現：一顆週期為1.9秒的脈衝星，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。”李菂説。

 

2018年2月，大科學裝置探測到有史以來最暗弱的毫秒脈衝星。實際上，這顆脈衝星被地球上很多天文望遠鏡“看”了多次卻都沒有“發現”，充分證明了FAST在靈敏度方面的優勢。

 

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

 

快速射電暴是科學研究的前沿領域，其持續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，美國康奈爾大學科學家利用阿雷西博望遠鏡發現第一個重復的射電暴，從而找到了對應星系。兩年後，FAST再次捕捉到了這個重復的快速射電暴，並持續探測到其一個多月的活躍爆發，獲取了迄今為止最大的快速射電暴事件集合。

 

2021年1月，團隊又有新發現，利用2018年的數據找到了4個新的快速射電暴。“假設宇宙誕生於大爆炸時期，到目前為止，可以分成幼年、少年、青年、中年4個階段。FAST此次發現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一步了。”李菂説。

 

“兩暗一黑三起源。”這是天體物理領域的一句俗話，用來形容天文望遠鏡的科學使命。“兩暗”是指暗物質和暗能量，“一黑”是黑洞，“三起源”則是天體、宇宙和生命的起源。科學家介紹説，除了作為核心科學目標的搜尋、發現脈衝星，FAST在很多領域都具備超強“發現力”，它可以驗證很多科學規律，在引力理論、星系演化、恒星、行星乃至物質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，FAST向全世界天文學家發出邀約，徵集觀測申請。所有國外申請項目統一參加評審，評審結果將於今年7月20日公佈，觀測時間將從8月開始。

 

中科院國家天文臺有關負責人表示，FAST向世界全面開放，彰顯了中國與國際科學界充分合作的理念。在開放合作中，中國的科學重器將更好地發揮效能，促進重大成果産出，為全人類探索和認識宇宙作出貢獻。

 

李菂介紹説，早在項目立項時，就確立了拓展人類宇宙視野的初衷，將向全球科學家開放。科學家申請使用FAST需要同行評審，根據項目建議書進行打分，再由時間分配委員會進行時長分配。預計將有10%的觀測時間分配給國外科學家。觀測申請的研究領域不做限制，但科學界普遍關心的項目將被優先考慮，如多科學目標漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈衝星測時、快速射電暴觀測等。

 

歷經多年建設發展，FAST從無到有，逐漸成長為科學家探索宇宙的“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鏡可以同時觀測原子氫氣的成像和脈衝星的搜索。”利用大科學裝置，李菂和團隊設計了多科學目標同時巡天，實現在一次觀測中同時進行氣體成像、搜索氣體星系、捕捉脈衝星和快速射電暴。團隊預期成果能得到1000顆新脈衝星、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。“多科學目標同時巡天將使得我們的科學産出效率極大提高。”

 

“南仁東老師曾經説過，FAST既代表著科學家們在射電天文這個領域的雄心壯志，也是中國天體物理和天文科學從追趕到超越的一次努力。”李菂説，未來兩年，FAST將致力於發現人類已知最遠的脈衝星，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……圍繞自身的科學目標，FAST的嘗試才剛剛開始。“好奇心是科學家的樂趣，更是人類生存的必需。不停探索未知的宇宙奧秘，會取得更多我們現在還想像不到的成果。”