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(guān)于FAST的短片，我的心情都難以平靜。有三個(gè)原因：第一個(gè)原因是緊張，每位來(lái)到這里的講者都有點(diǎn)緊張，我也是。

第二個(gè)原因是自豪，以國(guó)家天文臺(tái)為首的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)把FAST中國(guó)天眼打造成了我們的大國(guó)利器，我作為國(guó)家天文臺(tái)的一員，感覺(jué)真的很自豪。

第三個(gè)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(guó)天眼的總設(shè)計(jì)師、總工程師離開(kāi)了我們。他1994年提出了要建設(shè)中國(guó)的大射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)想，經(jīng)過(guò)了20多年的努力，把這個(gè)夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。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(cái)富，也留給了國(guó)家一個(gè)大國(guó)利器。

FAST真的很厲害，它是一個(gè)500米口徑的射電望遠(yuǎn)鏡，是現(xiàn)在全世界最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)樗畲螅馕吨沧铎`敏。有一個(gè)笑話說(shuō)，如果說(shuō)這口“鍋”裝滿了茅臺(tái)酒——因?yàn)樗驮谫F州——全世界的人每人可以分上四瓶，按照現(xiàn)在的市值來(lái)講，這值不少的錢。

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

第二個(gè)就是它這個(gè)鍋不是一個(gè)死的鍋，而是活的鍋。它創(chuàng)造性地利用主動(dòng)反射面技術(shù)，讓FAST能夠在觀測(cè)時(shí)實(shí)時(shí)地變形，取得非常好的觀測(cè)效果。再有，在FAST建設(shè)過(guò)程中，我們?nèi)〉昧艘幌盗泄こ毯图夹g(shù)的創(chuàng)新。據(jù)我所知，在港珠澳大橋的建設(shè)過(guò)程中還應(yīng)用了FAST研究的成果。

FAST在2016年初步建成，這兩年來(lái)FAST的工程團(tuán)隊(duì)一直在試運(yùn)行這個(gè)設(shè)備。我們知道，這樣一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要很長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試才能達(dá)到最佳狀態(tài)。但就是在調(diào)試過(guò)程中，它的觀測(cè)威力已經(jīng)凸顯了出來(lái)。到目前為止，F(xiàn)AST已經(jīng)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(jiǎn)單介紹一下。脈沖星是上個(gè)世紀(jì)60年代首次被發(fā)現(xiàn)的。英國(guó)天文學(xué)家Hewish和他的研究生Bell一起在檢查射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)信號(hào)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了周期性出現(xiàn)的脈沖信號(hào)。

他們很激動(dòng)，以為找到了傳說(shuō)中的“小綠人”。小綠人是什么？是一個(gè)科幻小說(shuō)里面說(shuō)到的火星人，或者說(shuō)地外生命。結(jié)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(hào)。后來(lái)搞懂了，原來(lái)他們發(fā)現(xiàn)了一種新的天體，叫作脈沖星。

脈沖星其實(shí)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?yàn)樵谒鼈兊暮诵挠幸粋€(gè)巨大的核聚變反應(yīng)堆，氫元素聚變成氦元素。當(dāng)恒星這些燃料慢慢燒得差不多了，會(huì)爆炸開(kāi)來(lái)，也就是說(shuō)恒星會(huì)走向死亡。

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

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

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

有的中子星轉(zhuǎn)起來(lái)，一個(gè)十幾公里的星，每秒鐘能轉(zhuǎn)上千轉(zhuǎn)。你可以想象，如果說(shuō)只是一個(gè)木頭球，或一個(gè)鐵球，十幾公里的球每秒鐘轉(zhuǎn)上千轉(zhuǎn)，它可能早已經(jīng)被它的離心力給瓦解了。中子星不會(huì)。這就給我們帶來(lái)了一個(gè)極端的物理?xiàng)l件下的實(shí)驗(yàn)室。中子星有強(qiáng)引力，有強(qiáng)磁場(chǎng)。我們宇宙中有四種基本的力——引力、電磁力、強(qiáng)作用力和弱作用力。這個(gè)實(shí)驗(yàn)室在我們地球上是沒(méi)有辦法人為模擬出來(lái)的。

中子星不單可以為科學(xué)研究提供這樣一個(gè)非常好的條件，還可以給社會(huì)、給我們?nèi)祟悗?lái)很大的實(shí)用價(jià)值。這里我舉兩個(gè)例子，一個(gè)叫授時(shí)，一個(gè)叫導(dǎo)航。中子星的旋轉(zhuǎn)周期可以從秒到毫秒，它可以每秒鐘轉(zhuǎn)幾圈，也可以每秒轉(zhuǎn)上千圈，關(guān)鍵是它轉(zhuǎn)得非常穩(wěn)定，幾百年來(lái)、幾千年來(lái)都不會(huì)變。它的精確程度可以超過(guò)原子鐘，因此你可以把它當(dāng)作一個(gè)表。

同時(shí)，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(wàn)光年，可以說(shuō)離我們非常遙遠(yuǎn);它又在旋轉(zhuǎn)，脈沖信號(hào)周期性地掃過(guò)地球。就像燈塔的光束會(huì)掃過(guò)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(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2700多個(gè)脈沖星，F(xiàn)AST兩年間就發(fā)現(xiàn)了60多顆。可以說(shuō)，隨著FAST進(jìn)入到科學(xué)觀測(cè)之后，我們會(huì)有更多的期待。

現(xiàn)在FAST就正在開(kāi)展19波束多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天的項(xiàng)目。

一個(gè)波束，大家可以理解成是一雙眼睛。以往我們的望遠(yuǎn)鏡基本上只有一個(gè)波束，或者說(shuō)只有一雙眼睛在看，而FAST可以說(shuō)是19雙眼睛同時(shí)在看，因此它巡天觀測(cè)的效率大大提升了。FAST有望在有限的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)上千顆脈沖星，數(shù)量可以超過(guò)我們過(guò)去幾十年發(fā)現(xiàn)的成果。

脈沖星的信號(hào)從幾萬(wàn)光年之外傳到地球上，其間并不是坦途一片，或者說(shuō)宇宙中并不是真空，有很多星際的塵埃，有很多的介質(zhì)。電磁波也是一種粒子，這些粒子在穿越星際塵埃的時(shí)候會(huì)發(fā)生色散。高頻一點(diǎn)的電磁波會(huì)快一點(diǎn)到達(dá)地球，低頻的信號(hào)會(huì)稍稍慢一點(diǎn)，相當(dāng)于把原來(lái)同時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)在時(shí)間上來(lái)了一個(gè)錯(cuò)位。

但同時(shí)電磁波再到地球的時(shí)候，這些信號(hào)又受到了很多人為干擾，比如手機(jī)基站，我們的飛機(jī)、衛(wèi)星，都會(huì)對(duì)這些射電信號(hào)形成干擾。因此，F(xiàn)AST或者射電望遠(yuǎn)鏡最后得到的是一個(gè)被污染了的信號(hào)。

天文學(xué)家要去研究脈沖星，研究它的旋轉(zhuǎn)周期等物理特征，我們就要復(fù)原這些信號(hào)，要還原這些信號(hào)的本來(lái)面目，就要把剛才受到的那些干擾去掉。同時(shí)，因?yàn)槲覀儾恢佬盘?hào)在傳過(guò)來(lái)的過(guò)程中到底經(jīng)過(guò)了哪些過(guò)程，因此它的色散的量我們是不知道的，我們要猜，要揣測(cè)它的值，最終確定脈沖星旋轉(zhuǎn)的周期是多少。

這個(gè)過(guò)程不是那么簡(jiǎn)單的。以FAST為例，F(xiàn)AST每月會(huì)產(chǎn)生300萬(wàn)需要猜測(cè)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(qiáng)大的觀測(cè)能力，300萬(wàn)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(shù)，包括現(xiàn)在非常時(shí)髦的AI人工智能。

世界上還有更多的利器。這些望遠(yuǎn)鏡，這些重大的觀測(cè)設(shè)施，每天都在產(chǎn)生海量的天文數(shù)據(jù)。天文數(shù)據(jù)是科學(xué)研究的寶貴財(cái)富，因此要建立一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心。

天文學(xué)是觀測(cè)的科學(xué)。國(guó)家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心是我們國(guó)家公布的第一批國(guó)家級(jí)的科學(xué)數(shù)據(jù)中心。我們可以說(shuō)國(guó)家數(shù)據(jù)中心就像是一個(gè)數(shù)據(jù)中臺(tái)，它把數(shù)據(jù)全都聚集在了一起。我們要進(jìn)一步發(fā)揮這些數(shù)據(jù)的價(jià)值，給天文學(xué)家用，給公眾用，向社會(huì)開(kāi)放，那我們就需要一個(gè)更好的業(yè)務(wù)中臺(tái)，這就是虛擬天文臺(tái)。

虛擬天文臺(tái)就是要把先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用到天文學(xué)，打造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的科學(xué)研究、科普教育平臺(tái);把這些數(shù)據(jù)開(kāi)放出去，以全世界的觀測(cè)數(shù)據(jù)打造成一個(gè)數(shù)字宇宙。

今天的主題是脈沖星。“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”，我們存在于銀河系中，有很長(zhǎng)一段時(shí)間，我們都不知道銀河系是什么樣子，我們?cè)阢y河系里面處在什么方位。經(jīng)過(guò)了很長(zhǎng)時(shí)間的努力，我們終于搞清楚了。它是一個(gè)旋渦星系，太陽(yáng)系帶著地球、火星等小兄弟，一起在第二個(gè)旋臂上邊緣的地方游蕩。這就是我們?cè)阢y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(huì)流浪，我們流浪到太空，怎么去識(shí)別方向？脈沖星可以為我們導(dǎo)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）