2022年01月30日 10:00
【科學快訊】
來源：格致論道講壇 ，作者張雙南
我們確定了這次快速射電暴來自於這顆中子星，
因此，快速射電暴就不可能是外星人的信號了
。
張雙南 · 中國科學院高能物理研究所研究員
「慧眼」衛星首席科學家
科學大咖講科學 | 2021年 北京
大家好，我是張雙南，工作於中國科學院高能物理研究所。今天我演講的題目是：慧眼如炬，我們為何仰望星空。「慧眼」是我所工作的團隊研制的空間天文衛星，我們可以用它來探索宇宙。今天，我來和大家分享「慧眼」探索之路上的一些故事。
從萬有引力到引力波
首先，我們來看看萬有引力和引力波的關系。地球為什麼會繞著太陽轉呢？根據牛頓萬有引力定律，是因為地球和太陽之間拉著一根名為萬有引力的「繩子」。
但如果是這樣，我在台上一揮手，台下的聽眾和我的手之間的距離就會發生變化，聽眾感受到的我的手的引力也會立刻發生變化。既然如此，那我在揮手時，我的手和宇宙當中所有天體之間的距離也都會發生改變，宇宙中所有天體都應該會立刻和我說：張老師好！是這樣嗎？
愛因斯坦老師覺得這個很不合理。愛老師說：張老師再厲害，也不會比我厲害。我老愛揮一下手，宇宙中的天體都不會立刻回應。
為什麼會有這樣的矛盾存在呢？愛因斯坦思考了這個問題，而後他認為，地球和太陽之間的那根繩子是不存在的，並不真的存在著那樣的一個引力。
愛因斯坦認為，由於太陽的質量很大，導致它周圍的空間都被扭曲了，地球在這個扭曲的空間裏運動時就會不由自主地拐彎，所以地球和其他的行星才會繞著太陽轉圈。
和聲音的傳播很類似：只能「聽」！
那麼，如果有兩個天體周圍的空間都扭曲了，當它們繞圈時，這個扭曲的空間就會向外傳遞，這就是引力波。1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論理論；1916年，他就預言了引力波的存在。但同時他也斷定：盡管引力波存在，人類卻永遠不可能探測到引力波。
為什麼呢？因為扭曲空間的引力波從遙遠的地方傳遞到地球時，這個空間的漣漪就已經變得非常小了。愛因斯坦先生想象不了人類能夠用技術探測到這樣小的空間的漣漪。然而，科學家最喜歡做的一件事，就是挑戰權威。
科學家們挑戰愛因斯坦的方法非常的獨特：用愛因斯坦的矛，攻擊愛因斯坦的盾。愛因斯坦的矛，就是他提出來的激光理論。科學家團隊花了幾十年的時間，也花了美國國家科學基金會曆史上最多的一筆錢，建造了激光幹涉引力波天文台。
他們在沙漠裏放了兩個真空管道。這兩根管道是垂直的，長度為4公里。引力波到達這個地方時，根據廣義相對論理論，空間的扭曲就體現為真空管道長度的變化。激光在真空管道裏來回反射幾百次後，就有可能測量到管道長度的變化，也就可能測量到引力波。
道理不難，那為什麼花了幾十年的時間和那麼多的金錢，再加上一整個科學家團隊，才能最終做到呢？因為這需要的精度是非常高的，這也是愛因斯坦當年認為人類不可能探測到引力波的原因。空間振蕩的變化尺度實在是太小了，小到了什麼程度呢？10的負18次方米。
比頭發絲小1萬倍的，就是氫原子。氫原子裏再縮小10萬倍，就是正中心的氫原子核。而氫原子核的1000分之1，就是10的負18次方米。4公里長的真空管道，其長度的變化只有質子的1000分之1那麼大。如果想把這個極微小的變化很精確地測量出來，真的是很不容易的。因此，這個團隊就建造出了地球上最精密的測量儀器——LIGO。
發布了震驚世界的科學新聞
2015年，他們在探測器裏測量到了這樣的信號。經過幾個月的數據分析，在2016年2月11日，愛因斯坦100年前預言的引力波終於被人類「聽」到了。
從「非聾即瞎」到「耳聰目明」
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但在這裏，我說的是「聽」，而不是「看」。其中的原因，大家可以從下方的視頻中找到。
視頻中的兩個黑點就是兩個黑洞。它們相互繞轉，使得空間的扭曲向外傳遞，就像朝水面扔了石頭後，水面的波紋向外傳遞一樣。不過，它所產生的引力波只能聽，不能看。這就好像我在台上發表演講，大家聽到我的聲音，是因為我講話使得空氣分子發生振動，這個振動最終傳給了聽眾的耳膜，使得大家聽到了聲音。
經過13億年的時間，引力波終於傳遞到了地球，使得地球發生了一點微小的扭曲。當然，視頻中的演示是高度誇張了的，否則的話就會引起海嘯、地震。
2017年，LIGO項目團隊獲得了諾貝爾物理學獎。截至2017年8月14日，這樣兩個黑洞相撞、並合所產生的引力波的優美聲音，激光幹涉引力波天文台已經「聽」到了五次，但我們天文學家並沒有「看」到引力波源的倩影。
「聽」到信號時，引力波傳遞的方向就被確定了。各種各樣的天文台，包括「慧眼」天文衛星，都會朝那個方向探測，希望能夠看到那個方向所發出的光，想了解那裏究竟發生了什麼。然而，我們都沒有看到。似乎在這時候，天文學家都是非聾即瞎的。
為什麼這樣說呢？因為在LIGO項目團隊「聽」到引力波之前，天文學家們只能看到宇宙。我們可以得到很多宇宙的漂亮照片，但從來沒有收到過宇宙的聲音——在那時，天文學家們是聾子。終於，引力波被「聽」到了，然而當我們用望遠鏡看向那些方向時，我們卻只看到了一片虛無。面對發得出聲音的宇宙，天文學家們又好像變成了瞎子。
一次宇宙深處的劇烈爆發現象
2017年10月16日，這種情況終於改變了。那天出現了一個全球大新聞：我們終於「看」到了。我們的「慧眼」衛星也同時發布了這項科學新聞！有記者采訪我時問：張老師，這不就是你們又看到了一個天體嗎？為什麼全世界的天文學家都這麼激動呢？我回答，因為人類終於「耳聰目明」了。人類不但聽到了天體結合發出的引力波的美妙歌聲，也看到了它們「相愛」所迸發出的美麗煙花。
那一天，全球的天文學家共同宣布，人類第一次「聽」到和「看」到了宇宙深處的劇烈爆發現象：兩個中子星相互繞轉、撞在一起，它們的結合最終迸發出了電閃雷鳴。
雷鳴是引力波信號，電閃是電磁波信號，也就是光。我們平時是先看到電閃、再聽到雷鳴的，因為聲音的傳播速度更慢。但是，引力波的傳播速度和光一樣，所以雷鳴和電閃是同時到達地球的。
這一次，全球的天文學家聯合做出了新聞發布，因為這是一次創紀錄的全球空間和地面的望遠鏡大聯測。如上圖所示，這個聲音是由美國和歐洲的三組引力波探測器共同聽到的，地面的各種光學、射電望遠鏡等也都加入了觀測，其中很多也看到了信號。
不幸的是，這個方向是比較靠近南天的，中國本土的望遠鏡沒有辦法觀測它。不過，中國科學家有一台在南極的望遠鏡，在當時看到了那個信號。而且，人類還有七台空間望遠鏡參與了此次觀測，其中的一台就是中國的「慧眼」天文衛星。因此，那天我們也發布了自己的觀測結果，沒有錯過這一場巨大的盛宴。
走近這雙「慧眼」
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「慧眼」衛星的全名叫做硬X射線調制望遠鏡HXMT，我來簡要地介紹一下它的曆史。
從高空科學氣球到空間觀測的設想
為了用X射線探索宇宙，在上世紀七八十年代，中科院高能物理研究所的科學家們進行了高空科學氣球的研究。那時，雖然中國已經能夠發射衛星了，但還沒有能力研制空間天文望遠鏡。我們只能發展高空科學氣球，在氣球上搭載天文望遠鏡來進行觀測。
在研制過程中，團隊就提出了研制硬X射線調制望遠鏡衛星的建議，也就是今天的「慧眼」衛星。但那時，我國的技術和經濟實力並不足以實現這個計劃。一直到很久以後，我們才終於實現了它。
1984至1986年，我在中科院高能物理研究所讀研，李惕碚院士是我當時的導師，而這個建議就是他和他的合作者一起提出的。2011年，國家終於正式立項，開始了HXMT的研制。
「慧眼」就是何澤慧的眼睛！
我在高能物理研究所讀研時有兩位導師，另一位導師就是我國著名的物理學家何澤慧院士。很不幸的是，就在立項的那一年，何先生去世了。那麼多年裏，她一直在為我們團隊發展衛星提供強有力的支持，很遺憾，最後卻沒有機會看到我們研制、發射、運行了真正研制出的衛星。
所以，在衛星發射之前，經過國家有關部門的批准，我們把這顆天文衛星命名為「慧眼」號。其中的「慧」字就取自何澤慧先生的名字，它預示著何澤慧院士的眼睛會繼續帶領我們，在太空中探索宇宙。
2017年6月15日，「慧眼」衛星在我國酒泉衛星發射中心成功發射。直到今天，它已經運行了超過4年的時間，取得了諸多科學成果。其中，第一個科學成果就是我剛才講到的參與「雷鳴電閃」的觀測。
碩果累累的「慧眼」
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「慧眼」衛星是X射線天文衛星，那麼X射線是什麼呢？
其實，它就是光或者說電磁波的一部分。平時的可見光是波長較長的電磁波；而無線電波是波長更長的電磁波；X射線則是波長較短的電磁波。X射線的穿透能力比較強，中子星和黑洞都會產生大量的X射線，所以我們需要用X射線望遠鏡進行觀測。
然而，如果要用X射線望遠鏡來觀測宇宙，我們就必須上天。地球的大氣層能夠保護人類，但同時，大氣層只對可見光信號和無線電信號透明：人類能夠用肉眼觀測宇宙，是因為大氣對可見光透明；除了光學望遠鏡，最先發展起來的是無線電或射電望遠鏡，這也是因為地球的大氣層對無線電和射電信號透明。
但是，對於紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線，大氣都是不透明的。為了研究這些不同波長、頻段、能量的宇宙，我們就需要上天，也就是發射天文衛星、建造空間站，甚至到離地球非常遠的地方去探索。
「慧眼」衛星參與了這次曆史性的事件，我們的成果也被寫入了這篇非常奇特的論文裏面。我們平時見到的論文，題目下面的是作者，再下面是單位。但這篇論文的題目下面，既沒有作者的名字，也沒有單位的名字——取而代之的是七十多個合作團隊的名字。
「慧眼」衛星的英文是Insight-HXMT（Hard X-ray Modulation Telescope），是這七十多個合作團隊中的一員，而且「慧眼」的名字還是排得比較靠前的。一共有約一千個單位、三千多個作者參與了這篇論文，其中一百一十多個作者都隸屬李惕碚院士領銜的「慧眼」團隊。
「慧眼」衛星發射之後，我們也很快取得了很多其他的科學成果。今年四月，習總書記在兩院大會上總結我國近年來的科技創新成就時，談到了一個基礎研究的成果：「慧眼」號直接測量到了宇宙最強磁場。
「慧眼」衛星所觀測到的是X射線能譜，也就是光譜。我們測量了不同頻率或波長也就是不同能量的地方有多少個光子到達了望遠鏡。在90個千電子伏的非常高能的X射線的地方，曲線上出現了一個坑。它就是由中子星表面非常強的磁場中的電子對X射線進行吸收，進而產生出來的。
由此我們測量到了中子星的磁場，是8億特斯拉。8億特斯拉有多強呢？在地球最先進的實驗室裏，使用超導技術能制造出來的最強磁場也不過幾個特斯拉。而中子星的磁場是8億特斯拉，這也是目前直接測量到的宇宙最強的磁場。利用這樣的磁場，我們可以研究很多非常重要的物理現象。
另外還有個有趣的成果：「慧眼」衛星發現了離黑洞最近的相對論噴流。
▲ 黑洞自轉的空間拖曳效應讓相對論噴流跳舞
具體是什麼呢？請大家觀看上方這個視頻。中間的就是黑洞，它周圍的氣體組成了一個盤，這個盤上面會產生強烈的X射線。「慧眼」衛星發現，除此之外，黑洞附近還能夠發出接近光束的、相對論速度的高速等離子體，並在其中產生強烈的、低高能均有的X射線。然後，黑洞的轉動又開始帶著這樣的相對論噴流跳舞，於是就產生了我們觀測到的非常有趣的信號。
破解「星際迷航」的難題
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人類已經步入到了太空時代。現在，人類能夠探索月球、火星、甚至太陽系內很多其他的天體。我們在地球附近時，可以用北鬥衛星系統來導航；但一旦遠離地球，甚至未來離開太陽系時，就像電影《流浪地球》裏所說的，我們就會面臨著星際迷航的問題：誰能判斷出我們處於宇宙中的什麼地方？誰來指引前進的方向？這是非常重要的，也是還沒有解決的一個問題。
是天然的導航衛星。
科學家發現，脈沖星，也就是磁場很強的一種中子星，它們可以轉動得非常快且非常穩。為什麼穩呢？因為中子星是宇宙中密度最高的天體。高到什麼程度呢？原子核是原子內縮小1萬倍的位於中心的物質，整個原子的重量全部集中在了原子核裏，所以原子核是宇宙中密度最高的物質。而中子星就相當於一個大的原子核，密度很高，轉起來非常地穩。
這就好像沒有人會用棉花來做陀螺，大家會使用密度很高的材質，所以我們可以想像中子星轉動得有多麼穩。加之，中子星轉動時會產生脈沖信號，那麼這個信號到達地球的時間也會是非常規則的。
在宇宙中，如果能夠精確地測量脈沖信號到達我們的時間以及其他信號的變化，那麼就能計算出我們相對中子星的位置與我們運動的速度。銀河系裏存在著幾千個中子星，其中很多都能夠為我們所用。所以將來開展星際旅行時，我們可以用脈沖星來替代地球的北鬥導航系統，讓我們在宇宙中不至於迷航。
那麼，如何探測脈沖星呢？在地球上，我們可以使用射電望遠鏡，如「天眼」望遠鏡（FAST）。但是，帶著「天眼」望遠鏡到太空中旅行似乎不太現實；我們需要攜帶的是X射線望遠鏡，因為它的體積較小，且測量精度較高。
脈沖星導航究竟能否實現呢？「慧眼」衛星對脈沖星進行觀測後，發現這的確可以做到。它的測量精度雖然比「北鬥」的差很多，但可以把軌道位置誤差確定在幾公里的範圍。對星際旅行而言，這足夠讓我們判斷出自己相對下一個旅行目標的位置和方向了。
這個奇妙的信號來自外星人嗎？
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「慧眼」衛星的另一個重大成果，是觀測到了疑似外星人的快速射電暴老家。我們如果在網上搜索「快速射電暴」，會有約350萬個結果。在搜索引擎裏，能夠超過它的科學名詞可不太多。如果在「快速射電暴」後面加上「外星人」，仍然有約56萬個結果。如果在「快速射電暴」後面加上「文明」，還會有約98萬個結果。
所以，快速射電暴好像與外星人和地外文明有一定的關系。那它到底是什麼呢？我們首先來看上方圖片的射電天線，這是一個很奇怪的射電望遠鏡：射電望遠鏡有各種稀奇古怪的形狀，「天眼」望遠鏡是比較常見的鍋型，除此之外還有各種其他的形狀。在這個天線上面，我們能夠探測並測量到持續時間為毫秒級的射電脈沖。
可以看到，在宇宙的不同方向都會有快速射電暴產生，而且它到達的時間並不確定。如果我們仔細觀測，還會發現有些方向上的信號是重複的或有周期性的。那麼，這些天體到底是什麼呢？如哈勃望遠鏡等光學望遠鏡，還有如「慧眼」望遠鏡的X射線望遠鏡等，都指向了這些方向，但結果什麼也沒找到。
有些腦洞大的學者猜測，這些會不會是外星人的活動呢？其中甚至有很知名的重量級天文學家，比如哈佛大學天文系前主任Abraham Loeb教授，他寫了文章來論證這些信號很有可能是外星人的活動。霍金先生在世時，也有人向他匯報過這個情況。霍金先生說，千萬不要回答這些信號，否則不知道會有什麼樣的後果。
那麼，它們到底是什麼呢？2020年，我們對這類現象終於有了一個確定的回答：快速射電暴來自於一個已知的天體——磁場很強的中子星，即磁星。加州理工學院也參與了快速射電暴的觀測，在他們的新聞發布中就有明確地提到：中國的「慧眼」衛星為這項成果做出了重要的貢獻。這一發現也入選了《自然》和《科學》雜志分別推舉了當年十大科學突破。
同一時刻「慧眼」的X射線暴（右）
上方圖中，左側是加拿大的射電望遠鏡發現的兩個非常短的射電信號，也就是以前已經在很多方向探測到了的快速射電暴。很幸運的是，在那一天，「慧眼」望遠鏡恰好在觀測一個非常有趣的中子星。
「慧眼」衛星其實是一個空間天文台，會響應天文學家的各種要求，去觀測各種各樣的天體。那天早晨，我以前的學生、也是這次成果論文作者之一的林琳，向我提出一個請求，希望「慧眼」衛星去觀測這顆中子星，因為它在這之前的一兩天比較奇怪。我同意了這個申請，讓「慧眼」衛星指向了這顆中子星。
10小時後，在加拿大的射電望遠鏡發現快速射電暴的同時，「慧眼」衛星的望遠鏡裏出現了一個非常強烈的、甚至可以亮瞎眼的X射線爆發，它讓「慧眼」衛星所有的探測器都被飽和了。我們團隊花了很大的工夫，把數據重建、恢複了出來。我們發現，在X射線爆發達到峰值時，圖中數據上出現了兩個尖尖的峰，它們恰好對應了那次出現快速射電暴的時刻。
雖然「慧眼」指向了那顆中子星，但我們的視場是比較大的，觀測範圍裏也可能會有別的天體，因此我們需要對這個信號進行定位。而後我們發現，確定下來的爆發位置就是那顆中子星，快速射電暴信號與X射電信號在時間結構上也完全相同，可以確定是同一次爆發。
所以，我們確定了這次快速射電暴來自於這顆中子星。因此，快速射電暴就不可能是外星人的信號了。有些腦洞大的朋友就和我爭論：為什麼外星人不會住在中子星上呢？首先，中子星的密度非常大，所以它表面的引力就非常強。強到什麼程度呢？中子星表面的原子都被吸成了扁的，趴在了中子星上。
而且，中子星表面的溫度還很高，有上千萬度甚至更高。在如此高溫的狀態下，原子是無法獨善其身的，它裏面的電子會跑掉，只剩下原子核和一些遊離的電子，學名叫等離子體。再加上它的磁場也非常強，還會把原子內的電子和原子核拉開，不讓它們回到一起。所以，這個信號不可能是外星人的信號。
我們在做新聞發布時，有些記者詢問，其他的快速射電暴信號有沒有可能來自於外星人呢？現在看來是不太可能的，因為其他的快速射電暴信號從各種特征上看，和這次是沒有什麼區別的。所以，我們在這個地方把外星人的可能性排除了。
仰望星空到底有什麼用？
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最近，上海交通大學和《科學》雜志聯合發布了125個科學問題。我按照發布的學科和領域把它們進行了分類，而後我欣喜若狂，因為其中天文學的問題是最多的。這個最多並不意味著天文學家笨，解決不了問題，而是恰恰反映了天文學家通過研究，不斷提出來新的問題，讓天文學變成了今天最活躍的學科。
天文學本來是最古老的學科。很多孩子在考慮自己的職業時，或許是蠻喜歡天文的，但父母可能會說，這已經是過時的學科了，學天文的只會披著軍大衣在山上值班，但其實完全不是這樣的。天文學在今天仍然是生機勃勃的學科，存在著諸多重大的問題亟待解決。而且，天文學的研究成果在2017,2019和2020年都獲得了諾貝爾物理學獎，這表明天文學的研究成果變得越來越重要了。
很多人問過我，引力波、黑洞、中子星、暗物質、暗能量，這些都是天文學最近的重大發現，很多也獲得了諾貝爾獎，但它們有什麼用呢？研究那麼遠的天體，能解決我們的吃喝和健康問題嗎？為什麼我們要仰望星空呢？
曆史上有一個故事叫杞人憂天，講的是一位老兄，他擔心天上的星星掉下來，又害怕大地突然會塌下去。他的朋友過來開導他，說天上的星星待得好好的，也沒怎麼掉下來過；大地也很結實，我們天天在這裏行走也沒有塌陷。這位老兄一聽就豁然開朗了，從此，中國人仰望星空就成了「杞人憂天」。杞人憂天在今天已經成為了負面的成語，描述的是不切實際的事。
然而，西方人也同中國人一樣，自古就開始仰望星空了。亞裏士多德好奇天上的星星為什麼不掉下來，於是提出了地心說；而後，托勒密發現地心說不夠精確，就提出了本輪說；再往後，哥白尼提出了日心說；開普勒又發現日心說裏的圓軌道和真正的天體運行不同，就提出了開普勒三定律。
之後，伽利略發明了天文望遠鏡，精確地觀察了天體的運行，印證了日心說與開普勒定律；最終，牛頓提出了力學三定律和萬有引力定律，終於對天體為什麼不會掉落、怎樣彼此繞轉等問題給出了答案。所以，西方人仰望天空、刨根問底，給人類帶來了現代科學。
我最近寫了一本書，叫做《極簡天文課》，在這本書的第三章「天文學與科學方法」中，有一個主題是比較古代文明和現代文明、現代文化之間的關系。對中國人來講，我們的文字變化不大，唐詩宋詞等很多古代文化也都有保留，似乎我們的文化並沒有變。
然而，我們今天傳達文化的方式變了，我們旅行的方式也變了，我們語言所描述的東西也都變了。如果比較古代文明和現代的主要區別，我認為就是科技發展所帶來的生產力的變化，以及我們認識宇宙的變化。因此，現代文化中的現代兩字，主要就是科技文化。
今天，我們要堅持道路自信、理論自信、制度自信，最根本的還有文化自信。文化包括了自然、科學和技術，所以文化自信也包含了科學自信和技術自信。科學自信是基礎，技術自信是表現，因此，最根本的文化自信需要科學自信。而我國近年來取得的一系列科技創新成就，包括天眼、慧眼、墨子號、悟空號、嫦娥、祝融、火星探測等等，這些都是我們中國的文化自信，都是我們中國人對世界文明所做出的貢獻。
謝謝大家！
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