如果有一天地球要流浪，它就是宇宙中的燈塔

崔辰州

每次看關于FAST的短片，我的心情都難以平靜。有三個原因：第一個原因是緊張，每位來到這里的講者都有點緊張，我也是。

第二個原因是自豪，以國家天文臺為首的團隊已經把FAST中國天眼打造成了我們的大國利器，我作為國家天文臺的一員，感覺真的很自豪。

第三個原因就是緬懷。2017年9月15日，基本上正好是兩年前，我們的南仁東老師，也就是中國天眼的總設計師、總工程師離開了我們。他1994年提出了要建設中國的大射電望遠鏡的設想，經過了20多年的努力，把這個夢想變成了現(xiàn)實。南老師走了，他留給我們后人，留給我們這些晚輩同事們一筆寶貴財富，也留給了國家一個大國利器。

FAST真的很厲害，它是一個500米口徑的射電望遠鏡，是現(xiàn)在全世界最大的單天線射電望遠鏡，因為它最大，意味著它也最靈敏。有一個笑話說，如果說這口“鍋”裝滿了茅臺酒——因為它就在貴州——全世界的人每人可以分上四瓶，按照現(xiàn)在的市值來講，這值不少的錢。

FAST有很多技術創(chuàng)新。第一個創(chuàng)新就是它利用了貴州省喀斯特洼地這樣一個天然的“鍋”做臺址，給我們建造FAST節(jié)省了大量的成本。

第二個就是它這個鍋不是一個死的鍋，而是活的鍋。它創(chuàng)造性地利用主動反射面技術，讓FAST能夠在觀測時實時地變形，取得非常好的觀測效果。再有，在FAST建設過程中，我們取得了一系列工程和技術的創(chuàng)新。據我所知，在港珠澳大橋的建設過程中還應用了FAST研究的成果。

FAST在2016年初步建成，這兩年來FAST的工程團隊一直在試運行這個設備。我們知道，這樣一個復雜的系統(tǒng)，需要很長時間調試才能達到最佳狀態(tài)。但就是在調試過程中，它的觀測威力已經凸顯了出來。到目前為止，F(xiàn)AST已經發(fā)現(xiàn)了60多顆脈沖星。

大家可能不知道什么叫脈沖星，我給大家簡單介紹一下。脈沖星是上個世紀60年代首次被發(fā)現(xiàn)的。英國天文學家Hewish和他的研究生Bell一起在檢查射電望遠鏡觀測信號的時候，發(fā)現(xiàn)了周期性出現(xiàn)的脈沖信號。

他們很激動，以為找到了傳說中的“小綠人”。小綠人是什么？是一個科幻小說里面說到的火星人，或者說地外生命。結果讓他們失望了，他們又發(fā)現(xiàn)了多次周期性出現(xiàn)的脈沖信號。后來搞懂了，原來他們發(fā)現(xiàn)了一種新的天體，叫作脈沖星。

脈沖星其實是一種中子星。我們知道天上有很多恒星，恒星之所以發(fā)光發(fā)熱，是因為在它們的核心有一個巨大的核聚變反應堆，氫元素聚變成氦元素。當恒星這些燃料慢慢燒得差不多了，會爆炸開來，也就是說恒星會走向死亡。

不同質量的恒星死亡、爆炸時留下的痕跡，或者叫作歸宿，是不一樣的。小質量恒星爆炸后會變成一顆白矮星;中等質量恒星爆炸，這個過程叫作超新星的爆發(fā)，之后會留下一顆中子星;大質量的恒星爆炸，就會形成一個黑洞。

中子星是一個非常致密的天體。我們知道原子是由質子和電子組成，把原子的質子和電子壓在一起，就會形成中子。很多很多的中子組成一個中子星。大部分星體都是由中子組成的，那是一個非常致密的天體。

大家想象一下，這好比是我們把一個半的太陽壓縮到一個北京市的大小，這是一個何等的天體！難以想象。一個指甲頭大小的地方，也就是1立方厘米，它可以相當于一千艘萬噸巨輪。

有的中子星轉起來，一個十幾公里的星，每秒鐘能轉上千轉。你可以想象，如果說只是一個木頭球，或一個鐵球，十幾公里的球每秒鐘轉上千轉，它可能早已經被它的離心力給瓦解了。中子星不會。這就給我們帶來了一個極端的物理條件下的實驗室。中子星有強引力，有強磁場。我們宇宙中有四種基本的力——引力、電磁力、強作用力和弱作用力。這個實驗室在我們地球上是沒有辦法人為模擬出來的。

中子星不單可以為科學研究提供這樣一個非常好的條件，還可以給社會、給我們人類帶來很大的實用價值。這里我舉兩個例子，一個叫授時，一個叫導航。中子星的旋轉周期可以從秒到毫秒，它可以每秒鐘轉幾圈，也可以每秒轉上千圈，關鍵是它轉得非常穩(wěn)定，幾百年來、幾千年來都不會變。它的精確程度可以超過原子鐘，因此你可以把它當作一個表。

同時，它在宇宙中，在銀河系中，距離我們有幾十光年、幾百光年、幾千光年或者幾萬光年，可以說離我們非常遙遠;它又在旋轉，脈沖信號周期性地掃過地球。就像燈塔的光束會掃過船只一樣，我們把脈沖星比作“宇宙中的燈塔”，它可以指引我們做宇宙航行。

到目前為止，天文學家們已經發(fā)現(xiàn)了2700多個脈沖星，F(xiàn)AST兩年間就發(fā)現(xiàn)了60多顆。可以說，隨著FAST進入到科學觀測之后，我們會有更多的期待。

現(xiàn)在FAST就正在開展19波束多科學目標同時巡天的項目。

一個波束，大家可以理解成是一雙眼睛。以往我們的望遠鏡基本上只有一個波束，或者說只有一雙眼睛在看，而FAST可以說是19雙眼睛同時在看，因此它巡天觀測的效率大大提升了。FAST有望在有限的時間內發(fā)現(xiàn)上千顆脈沖星，數量可以超過我們過去幾十年發(fā)現(xiàn)的成果。

脈沖星的信號從幾萬光年之外傳到地球上，其間并不是坦途一片，或者說宇宙中并不是真空，有很多星際的塵埃，有很多的介質。電磁波也是一種粒子，這些粒子在穿越星際塵埃的時候會發(fā)生色散。高頻一點的電磁波會快一點到達地球，低頻的信號會稍稍慢一點，相當于把原來同時產生的信號在時間上來了一個錯位。

但同時電磁波再到地球的時候，這些信號又受到了很多人為干擾，比如手機基站，我們的飛機、衛(wèi)星，都會對這些射電信號形成干擾。因此，F(xiàn)AST或者射電望遠鏡最后得到的是一個被污染了的信號。

天文學家要去研究脈沖星，研究它的旋轉周期等物理特征，我們就要復原這些信號，要還原這些信號的本來面目，就要把剛才受到的那些干擾去掉。同時，因為我們不知道信號在傳過來的過程中到底經過了哪些過程，因此它的色散的量我們是不知道的，我們要猜，要揣測它的值，最終確定脈沖星旋轉的周期是多少。

這個過程不是那么簡單的。以FAST為例，F(xiàn)AST每月會產生300萬需要猜測周期的候選體。以往我們的脈沖星搜尋基本上靠人工，但是現(xiàn)在隨著FAST有了這么強大的觀測能力，300萬張圖單靠人工是完全不可能了，因此我們就寄希望于現(xiàn)代的信息技術，包括現(xiàn)在非常時髦的AI人工智能。

世界上還有更多的利器。這些望遠鏡，這些重大的觀測設施，每天都在產生海量的天文數據。天文數據是科學研究的寶貴財富，因此要建立一個強大的數據中心。

天文學是觀測的科學。國家天文科學數據中心是我們國家公布的第一批國家級的科學數據中心。我們可以說國家數據中心就像是一個數據中臺，它把數據全都聚集在了一起。我們要進一步發(fā)揮這些數據的價值，給天文學家用，給公眾用，向社會開放，那我們就需要一個更好的業(yè)務中臺，這就是虛擬天文臺。

虛擬天文臺就是要把先進的信息技術應用到天文學，打造一個網絡化的科學研究、科普教育平臺;把這些數據開放出去，以全世界的觀測數據打造成一個數字宇宙。

今天的主題是脈沖星。“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，我們存在于銀河系中，有很長一段時間，我們都不知道銀河系是什么樣子，我們在銀河系里面處在什么方位。經過了很長時間的努力，我們終于搞清楚了。它是一個旋渦星系，太陽系帶著地球、火星等小兄弟，一起在第二個旋臂上邊緣的地方游蕩。這就是我們在銀河系中的位置。

脈沖星是我們宇宙中的燈塔，人類要發(fā)展，文明要持續(xù)。也許以后我們會流浪，我們流浪到太空，怎么去識別方向？脈沖星可以為我們導航。但如果我們迷失了方向，怎么辦？脈沖星還可以幫助我們找到回家的路。

（摘自《看天下》2019年第28期）