我们的“天眼”到底都看到了些啥?

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作者：袁懋（国家天文台）来源：《知识就是力量》杂志

中国“天眼”，全称500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST），是中国独立自主设计并建造的世界最大的单口径射电望远镜。天眼于1994年开始选址和预研究，2016年9月25日落成进入调试期；2020年完成国家验收，面向全球科学家开放。这只“观天巨眼”设计之初便拟定了一系列科学目标，以推动全球科学家在这些科学领域取得新的突破。那么，中国“天眼”到底可以观测到什么，这只巨眼究竟在看什么呢？

原本除了中国“天眼”FAST之外，世界上还有另一座可与之比肩的大射电望远镜——阿雷西博射电望远镜（Arecibo）。阿雷西博口径305米，1962年便建成投入使用。迄今为止已经帮助全世界科学家取得了一系列重大科学成果，包括一项诺贝尔物理学奖。不过令人惋惜的是，2020年12月1日，服务天文学长达58年的阿雷西博设备因老化发生坍塌，悬吊设备平台砸穿望远镜巨大反射面，最终退出历史舞台，给一个时代划上了终结符。如今，全球只剩下中国“天眼”一只“眼睛”了。

曾经的阿雷西博射电望远镜


发生坍塌后的阿雷西博射电望远镜

探究宇宙起源之谜

标准宇宙学模型告诉我们，宇宙起源于约138亿年前的大爆炸，初生的宇宙温度极高，核合成后充满电离的氢元素。在快速冷却过程中，带电的氢元素逐渐复合成电中性的氢。中性的氢元素不断聚集合并，由此拉开了今天可观测宇宙演化的序幕。

星系的可见光(亮白色区域)范围外，还有大量的射电波段探测到的中性氢气体(蓝色区域)(图片来源/NRAO）作为宇宙中最古老、最简单、分布最广泛的成分，中性氢的研究既可以用来追溯宇宙演化历史，也可以用来研究星系物质分布、动力演化以及可能的暗物质分布。由于中性氢可以辐射出十分微弱但独特的射电辐射（由于其波长为21厘米，故又称21厘米线），因此可以用高灵敏度望远镜捕捉其辐射信号。作为目前世界上最灵敏的射电望远镜之一，FAST在探测中性氢上有得天独厚的优势。2020年7月，中国科学家用FAST已成功探测到了3个低红移星系的中性氢发射线，或可有助于银河系外星系的暗物质分布研究。


宇宙演化历史和中性氢的合成

脉冲星：宇宙中神秘的“灯塔”

脉冲星是一种大质量恒星演化到后期，经过超新星爆发后留下的“遗物”。目前的理论认为，恒星在后期由于核聚变元素耗尽，自身引力会引发星体坍缩。小质量的恒星（诸如太阳）会留下白矮星；超大质量的恒星可能会留下一个黑洞；中等质量的恒星坍缩后就会留下一颗中子星。中子星的射电辐射以脉冲的形式到达地球，故也称脉冲星。



双黑洞绕转并和引发的时空涟漪会影响脉冲星脉冲到达地球的时间
脉冲星是一类非常神奇的天体。其最主要特征是：质量大（量级约10万倍地球质量），半径小（仅10千米左右）。如此巨大的质量被压缩在仅一个城市大小的空间内，其密度之高，压强之大令人无法想象。此时其内部物质组成将不再是普通物质状态：可能是原子核被压碎后游离出来的中子，甚至可能是连中子也被压碎后游离出的更基态的夸克。脉冲星另外的一个最具代表性的特征是超快且精准的自转速度，其自转速度最快达每毫秒转一圈。当脉冲星的射电辐射脉冲从两级辐射出来被望远镜探测到后，我们就可以根据探测到的脉冲周期来确定脉冲星的自转周期了。部分脉冲星自转周期极其稳定（亿年才变化一秒），甚至超过了目前人类的时间标准——原子钟。


射电脉冲星（中子星）假想图
研究脉冲星一方面可以帮助科学家回答极端条件下（超强磁场、超强引力场、超高温等）一些基本的物理规律，也可以用于布局未来的脉冲星星际导航。此外，脉冲星计时观测也可以用来探测引力波。由于脉冲星周期特别稳定，通常情况下两个脉冲到达地球的时间间隔应该相同。如果在传播过程中，脉冲穿过被引力波扰动的时空，那么其到达时间势必受到影响。通过测量脉冲星脉冲到达时间的间隔，可以间接得到引力波。对脉冲星的研究，FAST也具有得天独厚的优势。超高的灵敏度可以帮助人们探测到以往其他设备无法探测到的弱射电脉冲星信号，发现更加特异的辐射特性、得到更精确的脉冲到达时间等。目前，中国科学家利用FAST已经探测到了数百颗新的射电脉冲星，引力波探测也在进行当中。

快速射电暴：来自宇宙的神秘信号

快速射电暴（Fast Radio Burst，简称FRB），顾名思义，就是短时间内巨大的能量在射电波段内爆发的辐射。人类第一次发现FRB是在2007年。天文学家邓肯·洛里默等人在处理以往的射电数据时，首次发现了这种异常的辐射爆发，不过一开始人们对其地外起源表示怀疑。后来又陆续发现多个类似爆发后，天文学家才开始意识到这是一种以前未探测到的宇宙信号。

第一个FRB(图中黑色曲线)在射电数据里的样子迄今为止，人类已经捕捉到了上千起快速射电暴，已公开的这些射电暴基本上均被确认为银河系外起源。不过，2020年4月加拿大科学家新发现了起源于银河系内的射电暴。那么到底是什么机制产生了如此强大的能量爆发呢？虽然目前尚无定论，但大多数科学家认为这种爆发可能来自某些致密天体类似太阳爆发的星体活动，比如白矮星、中子星以及黑洞等。对其物理过程以及起源天体的研究已成为了天文学的前沿热门领域。

河外FRB传过星际空间传到地球的概念图2020年4月，FAST探测到的第一颗FRB公开发表（由国家天文台研究员朱炜玮等完成）。得益于FAST强大的性能，科学家探测到了这颗FRB罕见的多个爆发成分。目前，天眼团队已探测到了多起FRB，数据均在进一步处理当中。不仅如此，FAST充分发挥其高灵敏度的优势，探测到了FRB 180301这颗爆发源的辐射偏振（由北京大学罗睿博士等完成），极大地限制了FRB辐射起源的理论模型。目前这项世界级发现已经被各国科学家接受并认可。

星际分子：生命起源的第一缕光

星际分子是指存在于宇宙星际空间的有机或无机分子。很长一段时间以来，天文学家认为宇宙空间除了一些天体和星云等物质外，就再也没有其他有原子构成的物质了。直至20世纪60年代，星际分子的发现打破了这一认知。特定的星际分子会吸收特定频率的电磁波，因此可以通过观测电磁波谱在某些频率的吸收线来认证特定的分子。迄今为止，科学家已经找到了数百种星际分子，其中包括合成氨基酸、DNA的一些基本分子。为什么宇宙空间会存在星际分子呢？这得从恒星的“一生”说起。恒星诞生之初基本只有简单的氢元素。经过不断的核聚变，最简单的氢元素会不断核合成其他更重更复杂的元素，比如碳、氮、氧等。到恒星“濒临死亡”时，其内部已经合成了大量的金属元素了，包括金、银等。这个演化过程，恒星也合成了一些简单的分子物质。简单的分子物质在宇宙空间中经过复杂的高能辐射和互相交融，就有可能合成更复杂的有机分子。那么我们为什么要研究星际分子呢？这关系到地球生命起源的研究。因为很可能就是星际分子给地球生命的诞生带来了第一缕光。FAST在寻找星际分子这一领域丝毫不甘人后，这一观天巨眼正在扫描着宇宙深空的各个角落，相信不久的将来就能找到那些隐藏的分子。

探索地外文明有据可依

人类在宇宙中是否是唯一的？亘古以来，这是一个令无数人好奇但一直没有获得答案的问题，直到今天它依然充满诱惑。相对其他观测科学，地外文明搜寻一直以来都是一个充满科幻色彩的课题。随着望远镜性能不断加强，能探测到的信号越来越多，这一曾经科幻的课题变得越来越有科学上的可行性了。曾几何时，人类第一次探测到脉冲星信号时，也曾认为是外星“小绿人”发来的。如果我们捕捉到异常的、不曾看到的信号，那么就值得对其进行具体研究，确认其可能的起源。

FAST捕捉到的异常信号FAST可以捕捉到非常微弱的射电信号，除了一些我们熟知的射电源外，有些是我们暂时不能很好解释的干扰信号。自FAST投入运行以来，美国伯克利大学SETI团队就与天眼团队展开了深度合作，共同开发了一套系统，实时筛选FAST收集到的信号，捕捉地外文明的蛛丝马迹。随着阿雷西博的退役，一个大射电时代宣告谢幕，退出了历史舞台。作为接力者，中国“天眼”将开启另一个崭新的大射电时代。我们将奋力前行，借助天眼窥视更多的宇宙秘密，不断推动人类对宇宙新的认知！（责任编辑 / 黄盈盈  美术编辑 / 李子夜）

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