科學也可以如此靠近

西方統治這高大上領域50年 中國要接管未來20年

10月
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2017

2017年10月31日03時 今日科學 新浪新聞

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10月10日,中國科學院國家天文台宣布,500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)經過一年緊張調試,已實現指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行,並確認多顆新發現脈衝星。

「天眼」工程副總工程師李菂介紹,「天眼」調試進展超過預期,目前已探測到數十個優質脈衝星候選體,其中6顆通過國際認證。

這其實是一件大事!其意義不僅限於實現了我國在脈衝星探測領域「零的突破」,更重要的是,為將來更重要的探索開了一個好頭,好戲還在後頭。

那麼,脈衝星到底是什麼?中國發現這樣的「星星」究竟有何意義?庫叔今天就來跟你聊一聊。

本文為由瞭望智庫綜編,如需轉載請在文前註明來源瞭望智庫(zhczyj)及作者信息,否則將嚴格追究法律責任。

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詭異之星

先來說說被發現的脈衝星是什麼?

宇宙萬物都要經歷死亡,時刻散發光和熱的恆星也免不了。有一些恆星死亡之後,會爆炸,變成超新星。超新星爆炸以後剩下的渣滓,有一部分就是中子星,如果這個中子星碰巧有磁場,那麼它旋轉起來就會形成脈衝星,也就是說,脈衝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麼大,但質量卻比太陽還要重。這麼說吧,假設有一個天平,一端盛上一茶匙的中子星物質,另一端則需要一座高達3000米的山峰才能相抵。

一茶匙的中子星物質需要一座高達3000米的山峰才能抵得住

對於想造訪中子星的人類來說,在中子星上著陸是永不可能的。中子星表面強大的引力會瞬間把飛船以及裡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衝星,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衝。

這和我們在海里航行時看到過的燈塔有點像。設想一座燈塔總是亮著而且不停地有規則地運動,燈塔每轉一圈,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,在我們看來,它的光就連續地一明一滅。

脈衝星也是一樣,它每自轉一周,我們就接收到一次它輻射的電磁波,於是就形成一斷一續的脈衝,這種現象也叫「燈塔效應」。

這樣看來,脈衝星這樣極端的天體是世人難以想像的存在。

1967年,英國女科學家約瑟琳·貝爾意外發現了脈衝星。當時,接收到的脈衝星信號為無線電波,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」。

後來,貝爾又發現幾顆脈衝星,而且信號來自四面八方。銀河系各界的外星人,怎麼會湊巧在同一時間給地球發信號?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。

英國皇家學會院士約瑟琳·貝爾是脈衝星的第一位發現者

經過仔細分析,貝爾在《Nature》上發表了這種未知的天體,因這種星體不斷地發出電磁波脈衝信號,就把它命名為「脈衝星」。

這裡有一點需要注意,我們在地球上接收到的信號,其實是很早前發出的。就拿「天眼」發現新脈衝星舉例,這兩顆分別距離地球1.56萬光年和4100光年,信號發射之後,需要1.56萬年和4100年才能到達地球。

2

搜尋競賽

上世紀60年代,是射電天文學方興未艾的時代,也是國際射電天文學界群雄逐鹿的年代。人類第一次大規模地透過光學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。

貝爾發現脈衝星的消息一經發出,頓時轟動全球,被譽為20世紀天文學的四大發現之一(另外三個是類星體、星際有機分子和微波背景輻射),為天文學和天體物理研究開闢了新的領域,也為各國的國際競賽開闢了新的跑道。

得益於二戰中為防禦德國空軍而成長起來的雷達技術,美國、英國及其前殖民地澳大利亞的射電天文技術發展暫時領先。

到發現脈衝星的10周年(1977),各國共發現脈衝星149顆。

1978年,澳大利亞的莫朗格洛望遠鏡在「科學的春天」發力領跑,一鼓作氣將已知脈衝星數量翻了一倍多,達到了320顆。

不過,在接下來的20年中,新脈衝星發現的步伐只能說不緊不慢:在美屬波多黎各、當時世界最大的、口徑達到305米的望遠鏡阿雷西博,美國綠岸天文台91米望遠鏡、英國喬德雷爾·班克天文台76米望遠鏡,以及澳大利亞帕克斯天文台64米望遠鏡的共同努力下,到脈衝星發現的30周年(1997年),各國脈衝星搜尋的累計戰果僅擴大到了705顆。

由此可以看出,在搜尋的前30年,脈衝星的發現增長几乎是線性,而非指數的。這也是由射電望遠鏡的特性所決定的:一般一次只能觀測一個方向,也就是說,射電望遠鏡是一個只能一個點一個點連續拍照的「單像素」相機。

3

「天眼」發力

由於歷史和設備原因,我國其他射電望遠鏡探測到過多顆已知脈衝星,但沒發現過新脈衝星。這次可以發先新的脈衝星,要歸功於具有極高靈敏度的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)。

FAST位於貴州省平塘縣名為大窩凼的喀斯特窪地之中,它突破了射電望遠鏡工程極限,是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡,接收面積相當於30個足球場大小,被譽為「中國天眼」。

那麼這個「中國天眼」,到底有多牛?

*它是我國自主智慧財產權的「大國重器」。

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

*它一開機,就能收到1351光年外的電磁信號,未來可用於捕捉外星生命信號!

目前,FAST發現新脈衝星的時間點還處於該望遠鏡的「調試初期」。經過一年的緊張調試,FAST已實現指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行,調試進展超過預期及大型同類設備的國際慣例;而且,已經開始系統的科學產出。

這其中就包括對外發布的「新脈衝星的發現」——從今年8月FAST開展掃描試觀測以來,不到2個月內就發現了6顆脈衝星。

那麼,FAST怎麼找到遙遠的脈衝星呢?

形象地來說,如果FAST是一位男生,脈衝星是銀河系範圍里的女生。FAST不是「只盯著一個姑娘看」,它的策略是選定一個大方向——赤道以南的天空區域,等著,對川流不息的人群進行連續「拍照」,然後再從這些照片中尋找「意中人」。

未來,FAST在脈衝星搜尋領域更是大有可為。

若說過去50年,脈衝星家族新成員的發現是西方已開發國家說了算的話,那未來20年可能要更多地指望中國了。FAST有望發現更多奇妙、新型的脈衝星系統,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,地球上所有望遠鏡都只能看見銀河系裡的脈衝星。

而隨著FAST加入射電望遠鏡家族,科學家預測人類發現的脈衝星家族有望擴員一倍,而且會看見河外星系的脈衝星,甚至是圍繞黑洞的脈衝星。銀河系約有6萬顆可觀測的脈衝星,目前只探測到了約4.5%,FAST具有高靈敏度和解析度,使得很多暗弱的脈衝星均在其視野里,預計可測4000顆以上脈衝星。

可以說,「中國天眼」FAST在20年內都有望保持世界一流望遠鏡的地位。

4

觸摸未來

探索脈衝星對我們來說究竟有何意義呢?

其實,一個基礎科研成果,短期內是看不到惠及人類的效果的。但是從長遠來看,探索脈衝星為我們打開了新世界的大門。

「中國天眼」新發現的1號脈衝星示意圖

首先,脈衝星是一種理想的天體物理實驗室。

很早以前,物理學就陷入了「實驗物理遠遠落後於理論物理」的掙扎中。

也就是說,理論物理學家已經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得尤為明顯。

而脈衝星就是一種理想的天體物理實驗室,它高度緻密,又有強引力場,具有在地面實驗室無法實現的極端物理性質。沒有這個實驗室,很多天體物理方面的假說就只能是假說。而對其進行研究,就有希望得到許多重大物理學問題的答案。

其次,脈衝星可用來探測引力波。

引力波是宇宙中難以捉摸的漣漪,理論預言其產生於大尺度宇宙事件,例如在宇宙早期,兩個星系合併後其中心產生大質量雙黑洞系統,以及大爆炸早期瞬間產生的宇宙膨脹遺蹟。

雖然在沒有霧霾和城市光污染的夜晚裡,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、永恆的黑暗——因為它們是黑洞和暗物質,不管造多強多好的望遠鏡,對這些黑暗我們都束手無策。

有了引力波探測之後,我們終於有能力去探測宇宙的黑暗裡到底有什麼。雖然暗物質無形無色,但是它有著巨大的質量,利用引力波我們終於能捕捉到它的蛛絲馬跡。

當引力波傳來時,它會使得「時空」發生擾動。這時如果利用大型射電望遠鏡觀測多顆不同方向的脈衝星,會發現有的脈衝星信號到達時間提前,有的脈衝星信號到達時間滯後,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一步驗證廣義相對論的正確性,而且將為人類展現出一幅全新的物質世界圖景:茫茫宇宙,只要有物質,就有引力輻射。

第三,脈衝星可用於宇宙導航。

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

那茫茫宇宙我們靠什麼來導航呢?

脈衝星的信號!脈衝星導航具有定位精度高、抗干擾能力強、無需地面系統支持等特點,尤其在深空、戰爭等極端條件下對太空飛行器自主導航具有不可替代的優勢,是各航天強國爭相發展的尖端技術。

探索未知、追尋真理、掌握命運、敬畏自然是我們人類的天性。利用脈衝星,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」。

5

告慰南老

說到今天FAST首秀帶來的成就,就一定要提一位天文學家——南仁東。

9月16日,中國科學院國家天文台發布訃告,中國著名天文學家、500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)工程首席科學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聯盟大會,人們希望在全球電波環境惡化到不可收拾之前,建造新一代射電「大望遠鏡」。

時任中國科學院北京天文台副台長的南仁東,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台當客座教授,一天的薪水相當於國內一年。可當北京天文台需要他時,他立刻就回來了。

南仁東參加早期的大窩凼選址

從此,他參與到FAST設計的每一個環節當中。

為了在貴州選到最適合建造500米口徑球面射電望遠鏡的位置,南仁東白天黑夜不停地走訪。以當時的道路條件,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窪地,山上鬱鬱蔥蔥,幾排灰瓦的木屋陳列其中,雞犬之聲不絕於耳。

南仁東站在窩凼中間,興奮地說:「這裡好圓。」

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

他還設法多參加國家會議,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。」經歷了艱辛的10多年,FAST項目總算漸漸有了名氣。

2006年,中國科學院召開各院長會議,聽取各個「十一五」大科學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。在最後的國際評審中,他用英文發言,由於提前把整篇稿子背了下來,評審最後,國際專家開玩笑說:「英文不好不壞,別的沒說清楚,但要什麼,他說得特別明白。」

2007年,國家批覆FAST立項。2011年3月,村民搬遷完畢,FAST工程正式動工建設。開工那天,南仁東在窪地上,默默看著工人們砍樹平地,他對身旁的工作人員說:「造不好,怎麼對得起人家?」

關鍵技術無先例可循、關鍵材料急需攻關、核心技術遭遇封鎖……從選址到建成的22年時間裡,南仁東帶領老中青三代科技工作者克服了不可想像的困難,實現了由跟蹤模仿到集成創新的跨越。

南仁東曾這樣描述自己為什麼為FAST這麼拚命:

「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,什麼也不做,那不是個事。」

「我特別怕虧欠別人,國家投了那麼多錢,國際上又有人說你在吹牛皮,我就得負點責任。」

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,已罹患肺癌並在手術中傷及聲帶的南仁東,不顧舟車勞頓,從北京飛赴貴州,在遠處默默目睹經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、永恆堅守。或許某天,中國人就能代表人類接收到外星文明發出的訊號……

如今,FAST碩果纍纍,南老也可瞑目。

「20多年的研究,我終於看見了你,而你卻再看不見我。」

(本文綜合自科技導報、央視新聞、果殼科學人、中國日報網等)


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