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(guó)天眼”的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)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(hào)。
科學(xué)家曾詩(shī)意地形容,半個(gè)多世紀(jì)以來(lái),人類接收到的宇宙信號(hào)的力量還不足以翻起一頁(yè)紙,遙遠(yuǎn)的信號(hào)像雷聲中的蟬鳴,沒(méi)有超級(jí)靈敏的耳朵就分辨不出來(lái)。他們期待用更強(qiáng)有力的工具觀測(cè)來(lái)自遙遠(yuǎn)星河的信息。
自2020年1月對(duì)國(guó)內(nèi)開(kāi)放運(yùn)行以來(lái),借助全新的設(shè)計(jì)思路、得天獨(dú)厚的位置以及突破了天文望遠(yuǎn)鏡百米工程的極限,“中國(guó)天眼”迄今已發(fā)現(xiàn)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(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大科研基礎(chǔ)設(shè)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”
站在觀景臺(tái)向下俯瞰,依托喀斯特地區(qū)“天坑”而建、直徑達(dá)500米的大科學(xué)裝置形似一口銀色“大鍋”,架在周圍6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(yuǎn)鏡,它的觀測(cè)能力是德國(guó)波恩100米望遠(yuǎn)鏡的10倍,是美國(guó)阿雷西博300米望遠(yuǎn)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(shè)計(jì)目標(biāo),是要把覆蓋30個(gè)足球場(chǎng)大的信號(hào)聚集在一顆小藥丸大小的空間里,否則就難以監(jiān)聽(tīng)到宇宙中微弱的射電信號(hào)。這個(gè)“小藥丸”就是饋源,放在饋源艙內(nèi)——類似一個(gè)收集衛(wèi)星信號(hào)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(dòng)纜繩控制風(fēng)帆的方向,F(xiàn)AST通過(guò)拉扯鋼索網(wǎng)來(lái)使天線鍋?zhàn)兿?,這就要靠與鋼索網(wǎng)相連的2000多個(gè)小電機(jī)來(lái)控制完成。整個(gè)變向過(guò)程,由激光定位系統(tǒng)校準(zhǔn)。懸空的饋源艙重達(dá)30噸,被6條400多米的鋼索吊起,移動(dòng)范圍可達(dá)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(jí),大科學(xué)裝置才能正常工作。
在風(fēng)勢(shì)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,還埋藏著超過(guò)10萬(wàn)根光纖,為數(shù)據(jù)傳輸提供保障。
FAST的誕生可以追溯到上世紀(jì)90年代,天文學(xué)家南仁東提出要建設(shè)中國(guó)自己的巨型射電望遠(yuǎn)鏡。1994年,選址工作正式開(kāi)始。南仁東和團(tuán)隊(duì)用12年時(shí)間,對(duì)照著300多張地圖,走遍我國(guó)西南地區(qū)1000多個(gè)洼地,終于選定了擁有天然石灰?guī)r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”。
大科學(xué)裝置的建造過(guò)程艱苦卓絕??蒲腥藛T和建設(shè)者們住在板房里,室內(nèi)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)往的重型卡車壓垮。
2016年9月19日,F(xiàn)AST系統(tǒng)聯(lián)調(diào)成功。調(diào)試團(tuán)隊(duì)第一次利用整體系統(tǒng)探測(cè)到人類此前發(fā)現(xiàn)的首顆脈沖星信號(hào),這意味著裝置可以正常運(yùn)作。李菂感嘆,看著FAST一步步從設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí),真的是奇跡。
2017年8月27日,團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定目標(biāo)的跟蹤觀測(cè),并穩(wěn)定地獲取了目標(biāo)源射電信號(hào),這意味著FAST的“眼珠”可以轉(zhuǎn)動(dòng)了,也標(biāo)志著望遠(yuǎn)鏡最具難度、最具風(fēng)險(xiǎn)的功能性調(diào)試完成了。
“之后,F(xiàn)AST就可以克服地球的自轉(zhuǎn),對(duì)天體目標(biāo)源進(jìn)行跟蹤觀測(cè)。望遠(yuǎn)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,只能看個(gè)大概輪廓。如果想看清細(xì)節(jié),就需要對(duì)著目標(biāo)仔細(xì)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(guó)家天文臺(tái)研究員姜鵬說(shuō)。
具備多領(lǐng)域超強(qiáng)“發(fā)現(xiàn)力”
“嘀—嘀—嘀”,顯示屏上,代表聲波的曲線有節(jié)奏的起伏。李菂說(shuō),這是FAST發(fā)現(xiàn)的第一顆脈沖星,研究者根據(jù)真實(shí)的脈沖信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成音頻與動(dòng)態(tài)圖像,可以更真切地感受脈沖星信號(hào)的規(guī)律性。
脈沖星是一種高速自轉(zhuǎn)的中子星,具有極高的磁場(chǎng)和密度。它的自轉(zhuǎn)周期精確穩(wěn)定,輻射出的電磁波可以看作是如同脈搏般的脈沖信號(hào)。因此,脈沖星被比作“宇宙的時(shí)鐘”,其準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)為引力波探測(cè)、航天器導(dǎo)航等重大科學(xué)及技術(shù)應(yīng)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(duì)于研究超新星爆發(fā)等宇宙現(xiàn)象也相當(dāng)重要。
2017年10月10日,F(xiàn)AST公布了第一個(gè)天文發(fā)現(xiàn):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(cè)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(yuǎn)鏡“看”了多次卻都沒(méi)有“發(fā)現(xiàn)”,充分證明了FAST在靈敏度方面的優(yōu)勢(shì)。
從首次發(fā)現(xiàn)新脈沖星,到試運(yùn)行結(jié)束公布發(fā)現(xiàn)100余顆脈沖星,再到一舉突破300顆……FAST所發(fā)現(xiàn)的脈沖星數(shù)量,在全球脈沖星搜索團(tuán)隊(duì)行列中首屈一指,成為脈沖星發(fā)現(xiàn)的重要貢獻(xiàn)者。
快速射電暴是科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域,其持續(xù)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(guó)康奈爾大學(xué)科學(xué)家利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)第一個(gè)重復(fù)的射電暴,從而找到了對(duì)應(yīng)星系。兩年后,F(xiàn)AST再次捕捉到了這個(gè)重復(fù)的快速射電暴,并持續(xù)探測(cè)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(tuán)隊(duì)又有新發(fā)現(xiàn),利用2018年的數(shù)據(jù)找到了4個(gè)新的快速射電暴。“假設(shè)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(xiàn)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?cè)谔剿饔钪嫫鹪捶矫娓M(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,用來(lái)形容天文望遠(yuǎn)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(biāo)的搜尋、發(fā)現(xiàn)脈沖星,F(xiàn)AST在很多領(lǐng)域都具備超強(qiáng)“發(fā)現(xiàn)力”,它可以驗(yàn)證很多科學(xué)規(guī)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(duì)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(tái)”
北京時(shí)間2021年3月31日零點(diǎn),F(xiàn)AST向全世界天文學(xué)家發(fā)出邀約,征集觀測(cè)申請(qǐng)。所有國(guó)外申請(qǐng)項(xiàng)目統(tǒng)一參加評(píng)審,評(píng)審結(jié)果將于今年7月20日公布,觀測(cè)時(shí)間將從8月開(kāi)始。
中科院國(guó)家天文臺(tái)有關(guān)負(fù)責(zé)人表示,F(xiàn)AST向世界全面開(kāi)放,彰顯了中國(guó)與國(guó)際科學(xué)界充分合作的理念。在開(kāi)放合作中,中國(guó)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,為全人類探索和認(rèn)識(shí)宇宙作出貢獻(xiàn)。
李菂介紹說(shuō),早在項(xiàng)目立項(xiàng)時(shí),就確立了拓展人類宇宙視野的初衷,將向全球科學(xué)家開(kāi)放??茖W(xué)家申請(qǐng)使用FAST需要同行評(píng)審,根據(jù)項(xiàng)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(zhǎng)分配。預(yù)計(jì)將有10%的觀測(cè)時(shí)間分配給國(guó)外科學(xué)家。觀測(cè)申請(qǐng)的研究領(lǐng)域不做限制,但科學(xué)界普遍關(guān)心的項(xiàng)目將被優(yōu)先考慮,如多科學(xué)目標(biāo)漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈沖星測(cè)時(shí)、快速射電暴觀測(cè)等。
歷經(jīng)多年建設(shè)發(fā)展,F(xiàn)AST從無(wú)到有,逐漸成長(zhǎng)為科學(xué)家探索宇宙的“世界舞臺(tái)”。
“在FAST建成以前,世界上沒(méi)有任何一座大型天文望遠(yuǎn)鏡可以同時(shí)觀測(cè)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天,實(shí)現(xiàn)在一次觀測(cè)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(tuán)隊(duì)預(yù)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(biāo)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),F(xiàn)AST既代表著科學(xué)家們?cè)谏潆娞煳倪@個(gè)領(lǐng)域的雄心壯志,也是中國(guó)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,F(xiàn)AST將致力于發(fā)現(xiàn)人類已知最遠(yuǎn)的脈沖星,將參與低頻引力波的探測(cè),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(biāo),F(xiàn)AST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(xiàn)在還想象不到的成果。”
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