“宇宙煙花”背后的中國故事

屈一平

時(shí)空漣漪伴生的宇宙“煙花”，震動(dòng)整個(gè)天文界！

來自宇宙深處時(shí)空漣漪伴隨的“煙花”——中國科學(xué)院紫金山天文臺(tái)吳雪峰研究員，在第一眼看到中國南極巡天望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)中找到的第一例雙中子星并合的光學(xué)信號(hào)時(shí)，這樣形容。

“現(xiàn)在想想都覺得很神奇很幸運(yùn)很不可思議。也許這就是在漫長黑夜里堅(jiān)持等待的意義……”10月23日，吳雪峰接受《人民周刊》記者專訪，這樣描述自己當(dāng)時(shí)的心情?！罢麄€(gè)過程心都是懸著的?！?/p>

10月16日，一個(gè)世界天文學(xué)界里程碑式的時(shí)間來到，美國國家科學(xué)基金會(huì)、歐洲南方天文臺(tái)、中國中科院紫金山天文臺(tái)等多國科學(xué)機(jī)構(gòu)同步召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布第一次同時(shí)“聽到”和“看到”來自雙中子星并合的一次引力波事件。

這是人類第一次直接探測(cè)到來自雙中子星并合的引力波，并同時(shí)探測(cè)到這一壯觀宇宙事件發(fā)出的電磁信號(hào)。中科院紫金山天文臺(tái)在中國南極昆侖站運(yùn)行的南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2在這次引力波事件發(fā)生后的1天左右觀測(cè)到“宇宙煙花”綻放的絢爛時(shí)刻。

吳雪峰在兩個(gè)月后，依然清晰記得，當(dāng)時(shí)中科院南極天文中心主任、南極巡天望遠(yuǎn)鏡首席科學(xué)家王力帆研究員把觀測(cè)目標(biāo)的坐標(biāo)方位告訴大家，來判斷南極巡天望遠(yuǎn)鏡是否可以安排觀測(cè)時(shí)，“我們當(dāng)時(shí)的第一反應(yīng)就是，懸！超過限位了！由于有一個(gè)范圍內(nèi)浮動(dòng)的校正誤差，所以并不能百分百肯定我們的望遠(yuǎn)鏡可以安全指向和觀測(cè)。我們先小心翼翼解除初級(jí)限位保護(hù)，再一點(diǎn)點(diǎn)放低望遠(yuǎn)鏡接近目標(biāo)，打開跟蹤，整個(gè)過程心都懸起來了，萬一出現(xiàn)惡劣天氣望遠(yuǎn)鏡卡住，麻煩就大了。但是，在幾個(gè)重要位置測(cè)試過以后，太棒了，沒有問題，可以觀測(cè)！”

目前LIGO激光干涉引力波天文臺(tái)探測(cè)到的引力波是由黑洞、中子星等致密星碰撞、并合產(chǎn)生的一種時(shí)空漣漪，宛如石頭丟進(jìn)水里產(chǎn)生的波紋。百年前，愛因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，但直到2015年人類才首次直接探測(cè)到引力波，3名美國科學(xué)家因此獲得今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

每個(gè)人都懸著一顆心

2017年10月16日晚22時(shí)（北京時(shí)間，下同），注定要記入中國天文學(xué)歷史的時(shí)刻，此時(shí)，在中國江蘇省南京市鼓樓區(qū)的中科院紫金山天文臺(tái)四樓會(huì)議室，所有人都拭目以待，一場(chǎng)與全球多國科學(xué)家同步期待的重大時(shí)刻即將來臨。

時(shí)間回溯到兩個(gè)月前的8月17日晚，在地球最南端的南極，極夜即將結(jié)束，太陽偶爾升起。在1.3億光年外的長蛇座NGC 4993星系，第一例雙中子星并合的引力波信號(hào)剛剛到達(dá)地球被探測(cè)到，這對(duì)全世界的天文學(xué)家來說，是一場(chǎng)盛宴，然而，能不能摸到這頭傳說中的森林之“象”的全身，還是一個(gè)未知數(shù)。

一天之后的18日晚，獲悉了觀測(cè)目標(biāo)的準(zhǔn)確位置進(jìn)入南極巡天望遠(yuǎn)鏡AST3-2的觀測(cè)視場(chǎng)后，吳雪峰和南極天文中心的其他成員正時(shí)刻關(guān)注著這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。此次引力波事件發(fā)生的天區(qū)，在中國南極巡天望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測(cè)的最北邊界，基本靠近地平線，接近望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)的極限，能不能捕捉到，中國南極天文合作團(tuán)隊(duì)的每個(gè)成員都懸著一顆心。

外界不知道的是，此次探測(cè)是冒著很大風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行的一次嘗試：第一，此次觀測(cè)要打亂中國南極望遠(yuǎn)鏡既定的巡天觀測(cè)計(jì)劃；其次，是天文望遠(yuǎn)鏡架設(shè)于南極大陸最高點(diǎn)，而引力波事件GW170817在其觀測(cè)的邊緣區(qū)，這意味著需要把望遠(yuǎn)鏡指向距離地面只有二十幾度的方向，這已經(jīng)是AST3-2的極限。望遠(yuǎn)鏡一旦卡住不動(dòng)，就會(huì)在即將到來的南極夏天被陽光直射造成損害，望遠(yuǎn)鏡面臨報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，而再次修理的時(shí)間最早也要等到2018年，由南極科考隊(duì)員去才能修復(fù)。吳雪峰說道：“我們當(dāng)時(shí)冒了很大的風(fēng)險(xiǎn)。”

“盲人摸象”中看到了“大象的臉”

“什么是引力波？”紫金山天文臺(tái)研究員吳雪峰介紹說：“引力波是一種時(shí)空漣漪，如同石頭被丟進(jìn)水面產(chǎn)生的波紋。黑洞、中子星等天體在碰撞過程中產(chǎn)生目前可以被探測(cè)到的引力波?！?/p>

據(jù)了解，100年前，愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在，廣義相對(duì)論的其他預(yù)言如光線的彎曲、水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)以及引力紅移效應(yīng)都已獲觀測(cè)證實(shí)，唯有引力波一直徘徊在科學(xué)家的“視線”之外。

引力波發(fā)現(xiàn)的重要和深遠(yuǎn)的意義，還在于它開啟了人類探索宇宙和天體的起源、結(jié)構(gòu)和演化的一個(gè)新窗口。對(duì)于天文學(xué)家來說，研究宇宙和天體的信息載體從電磁波延伸到了引力波，它們與中微子、宇宙線的探測(cè)相結(jié)合，正式開啟了多信使天文學(xué)的時(shí)代。

吳雪峰將此次引力波電磁對(duì)應(yīng)體的觀測(cè)，形象地比喻為“觸摸到未知森林大象之臉”。

中子星雙星并合事件，自30多年前開始，在全世界天文學(xué)者心中一直是傳說中的“大象”，之前從沒有人證實(shí)過它的真實(shí)存在。這次LIGO激光干涉引力波天文臺(tái)探測(cè)到來自GW 170817引力波事件的“時(shí)空漣漪”，就相當(dāng)于捕捉到這頭“大象”發(fā)出的“怒吼”，給出它在宇宙森林中的大致方位。

“這次最關(guān)鍵的是，包括我們的南極巡天望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)的全世界多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了這次雙中子星并合后產(chǎn)生的光學(xué)、紫外和紅外輻射，這些輻射比普通新星亮約1000倍，被稱為巨新星或千新星，提供了了解雙中子星并合最豐富且重要的數(shù)據(jù)。因此，這些光學(xué)觀測(cè)相當(dāng)于是直接看到了‘大象的臉”。

中國，不曾缺席

在南極內(nèi)陸，目前只有中國在冰穹A地區(qū)和歐洲在冰穹C地區(qū)安裝了光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。迄今，由中國國家天文臺(tái)南極組自主研發(fā)的南極巡天望遠(yuǎn)鏡運(yùn)控系統(tǒng)已成功運(yùn)行幾年，實(shí)現(xiàn)了真正無人值守條件下帶有指向跟蹤的望遠(yuǎn)鏡全自動(dòng)運(yùn)行。

國家天文臺(tái)南極團(tuán)組負(fù)責(zé)人商朝暉說，AST3-2是我國在昆侖站安裝的第二臺(tái)南極巡天望遠(yuǎn)鏡，是南極現(xiàn)有最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，并且實(shí)現(xiàn)了極端環(huán)境下無人值守全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

“中國南極昆侖站所在的冰穹A天文觀測(cè)條件非常好，幾乎和太空差不多。”吳雪峰介紹，中國在南極架設(shè)望遠(yuǎn)鏡，除了科考安裝條件比較艱苦以外，觀測(cè)條件媲美太空。

今年早些時(shí)候，中國宣布將在南極冰穹A地區(qū)再安裝兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，一是2.5米昆侖暗宇宙巡天望遠(yuǎn)鏡，二是5米冰穹A太赫茲探測(cè)器，旨在打開地球上獨(dú)一無二的天文觀測(cè)新窗口。

吳雪峰認(rèn)為，下一代的南極昆侖暗宇宙巡天望遠(yuǎn)鏡安裝觀測(cè)后，該望遠(yuǎn)鏡在南極的觀測(cè)能力，等效于地面其他常規(guī)臺(tái)址上20米級(jí)的同類望遠(yuǎn)鏡。這兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡建成后，我國將擁有世界上強(qiáng)大的遠(yuǎn)程控制天文臺(tái)。

這是世界天文學(xué)界一場(chǎng)盛宴，也是中國天文學(xué)在2017年最大的收獲之一。