“中國天眼”將建擴(kuò)展陣 尋找地外生命做準(zhǔn)備

于紫月

“中國天眼”要邁出探索地外生命的步伐了。

科學(xué)家認(rèn)為，宜居的星球除了應(yīng)當(dāng)有水、適宜的溫度和大氣外，還有一個必要條件——磁場。

作為世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）將鎖定太陽系外的太空，在距離地球約100光年的范圍內(nèi)尋找與地球一樣擁有磁場的行星，助力尋找地外生命。近期，中法等國天文學(xué)家在《天文學(xué)及天體物理》雜志上發(fā)表了這一觀測計劃。

1.從零到一：尋找首顆系外“磁行星”

磁場對于生命來說至關(guān)重要。

“地球磁場牢牢抓住地球表面的大氣，避免其被太陽風(fēng)吹走，隔絕了絕大多數(shù)強(qiáng)烈的宇宙射線，可保護(hù)生命不受射線的傷害。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員、FAST首席科學(xué)家李菂表示。

太陽風(fēng)是從太陽上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流，當(dāng)這種等離子體流到達(dá)地球附近時，大部分流體會被地球磁場干擾，繞過地球繼續(xù)向太陽系外圍前進(jìn)。其余的一小部分則隨著地球磁場線進(jìn)入兩極，并與空氣碰撞，形成絢麗多彩的極光，而非直接照射到動植物體身上。

那么，地球磁場是如何形成的？

“地球內(nèi)部的高溫導(dǎo)致物質(zhì)融化，大量電離物質(zhì)特別是液態(tài)的鐵金屬，隨著地球自轉(zhuǎn)長期處于運(yùn)動之中，使地球形成了一個強(qiáng)度較穩(wěn)定、具有南北磁極的磁場。”李菂表示，目前關(guān)于地球磁場的細(xì)節(jié)問題也是學(xué)界研究的熱點之一，如經(jīng)常出現(xiàn)磁場反轉(zhuǎn)、磁極加速移動等。

在太陽系的八大行星中，除了地球，還有5顆擁有行星尺度的磁場，分別是水星、木星、土星、天王星和海王星，這些行星磁場的形成機(jī)制與地球大致相同。而對于太陽系外的空間，目前學(xué)界尚未真正探測到過擁有磁場的行星，但天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些擁有磁場的褐矮星。褐矮星又被稱為“失敗的太陽”，因為它們相較于行星來講太大了，最輕的褐矮星質(zhì)量也有十幾倍的木星大小;而相對于在核內(nèi)發(fā)生氫聚變的恒星來說又很小。2018年，研究人員發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量介于行星和褐矮星之間的天體（SIMP），磁場比木星還要強(qiáng)200倍左右。

“這讓我們有理由相信，太陽系外也會存在很多有磁場的行星，F(xiàn)AST將要做的，就是突破這個零。”李菂說。

2.提升“視力”：擴(kuò)展陣助分辨率提升百倍

在星際的巨大尺度中，磁場的探測永遠(yuǎn)是個很難的問題。

對于太陽系內(nèi)的行星結(jié)構(gòu)、物理現(xiàn)象、甚至磁場，我們可采用發(fā)射探測器等方式直接探測。但系外行星對于空間探測器來說，遙不可及。只能通過地球上或附近的空間望遠(yuǎn)鏡等設(shè)備接收信號，測量恒星的位置和速度是否變化來推測其周圍是否存在行星;后來進(jìn)一步發(fā)展利用“掩星”或引力透鏡的現(xiàn)象進(jìn)行觀測。

近20年來，一部分天文學(xué)家開始鎖定射電信號，以期觀測行星的磁場。為何會選在射電波段呢？

“如果行星有磁場，那么在主恒星星風(fēng)的作用下，便會產(chǎn)生電磁輻射。特別是在射電這一頻率跨度很寬的波段。”李菂表示。再者，對于地面的射電望遠(yuǎn)鏡而言，大氣層是“透明”的，即宇宙中的射電信號能量低、波長長，穿過大氣層時不易散射，能夠保留較為完整的信息被地面望遠(yuǎn)鏡這雙“眼睛”接收。以木星為代表的大行星輻射就發(fā)生在射電波段，這也啟發(fā)人們在尋找其他同樣具有磁場的行星時重點關(guān)注射電信號。

“FAST最大的優(yōu)勢在于接收射電信號的總面積很大，靈敏度高。”在李菂看來，F(xiàn)AST單位接收面積的性價比也很高。雖然世界上存在綜合性能更強(qiáng)的射電望遠(yuǎn)鏡，如某些陣列式望遠(yuǎn)鏡，又如8臺望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成、觀測首張黑洞照片的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”等，這些望遠(yuǎn)鏡雖然分辨率更高，也能做很多FAST目前無法完成的觀測內(nèi)容，但由于每個陣列單元都要有獨立的接收設(shè)備和傳送、處理信號裝置，因此成本將會指數(shù)級增長。FAST造價只有12億人民幣，而由66個望遠(yuǎn)鏡單元組成的ALMA射電望遠(yuǎn)鏡的造價為10億英鎊，折合成人民幣約92億元。

“FAST已經(jīng)將靈敏度發(fā)揮到了極致，但由于口徑的限制，觀測系外行星時的分辨率還達(dá)不到理想要求。我們希望能夠建設(shè)FAST擴(kuò)展陣，將空間分辨率提升10～100倍。”李菂透露，目前計劃采用5米口徑的天線和簡易接收單元，在現(xiàn)有的“球面”周圍鋪設(shè)成密集網(wǎng)，將原本300米有效基線擴(kuò)大至幾十公里。為了節(jié)省成本，擴(kuò)展陣的每個單元不設(shè)置數(shù)字信號處理裝置，而是利用光纖將接收到的電信號直接傳輸?shù)皆贔AST的總處理器上。如此一來，“天眼”對于弱點源的響應(yīng)性能將會大幅提升，“視力”進(jìn)一步提高。

3.打開新窗：或改變對地外生命現(xiàn)有認(rèn)知

FAST一旦接收到第一顆系外行星的射電信號，將意味著打開系外宜居行星探索的新窗口。

“當(dāng)這種探測大范圍展開后，很有可能會得到一個結(jié)論，即表明太陽系之外行星磁場是普遍存在的。”李菂認(rèn)為，雖然磁場并非地外生命存在的唯一條件，但作為保護(hù)生命的重要因素，未來愈發(fā)多樣、詳細(xì)的行星磁場的探測將會改變?nèi)藗儗Φ赝馍默F(xiàn)有認(rèn)知，甚至將為搜索智慧生命和地外文明提供助力。

以目前觀測到的數(shù)據(jù)，銀河系之內(nèi)、太陽系之外存在生命的條件是普遍存在的。“如果近期完全找不到地外生命的影子，反而是不可思議的。”李菂表示，地球上各種極端條件下皆存在著生命，人們在地外也探測到構(gòu)成生命的C、H、O等必要元素和大量復(fù)雜分子。銀河系誕生了100多億年。恒星、行星、磁場、水以及足夠的時間，這些生命演化的必要因素齊備，為何不會存在地外生命？

很快，F(xiàn)AST將會邁出這一步，擴(kuò)展陣也將在3～4年內(nèi)建成，助力搜索系外行星的射電信號。

除此之外，F(xiàn)AST將在2019年9月結(jié)束長達(dá)3年的測試期，正式投入使用。超過10個國家和地區(qū)的天文學(xué)家的科學(xué)團(tuán)隊正在從事FAST相關(guān)研究。李菂透露，以中國科學(xué)院國家天文臺為首的科研團(tuán)隊已經(jīng)制定了兩個系統(tǒng)化的巡天計劃：FAST多科學(xué)目標(biāo)同時巡天計劃（CRAFTS）和銀道面及仙女座星系巡天計劃（GAS）。目前這兩個計劃已經(jīng)確立了相關(guān)模式，進(jìn)行了大量的技術(shù)測試，預(yù)期今年年底前正式展開，將成為FAST系統(tǒng)科學(xué)產(chǎn)出的主要依據(jù)，預(yù)期發(fā)現(xiàn)上千顆脈沖星、幾十萬個新的氣體星系、超過100億個像素點的新一代原子氫氣天圖。

“FAST多個觀測項目，特別是兩個系統(tǒng)巡天計劃，將力爭在脈沖星黑洞系統(tǒng)、引力波源、基本物理常數(shù)、星系演化、生命的太空起源等方向催生重大突破。”李菂說。