“觀天巨眼”看世界

袁懋

原本除了中國“天眼”FAST之外，世界上還有另一座可與之比肩的大射電望遠鏡——阿雷西博射電望遠鏡（Arecibo）。阿雷西博口徑305米，1962年便建成投入使用。迄今為止已經幫助全世界科學家取得了一系列重大科學成果，包括一項諾貝爾物理學獎。不過令人惋惜的是，2020年12月1日，服務天文學長達58年的阿雷西博設備因老化發生坍塌，懸吊設備平臺砸穿望遠鏡巨大反射面，最終退出歷史舞臺，給一個時代劃上了終結符。如今，全球只剩下中國“天眼”一只“眼睛”了。

探究宇宙起源之謎

標準宇宙學模型告訴我們，宇宙起源于約138億年前的大爆炸，初生的宇宙溫度極高，核合成后充滿電離的氫元素。在快速冷卻過程中，帶電的氫元素逐漸復合成電中性的氫。中性的氫元素不斷聚集合并，由此拉開了今天可觀測宇宙演化的序幕。

作為宇宙中最古老、最簡單、分布最廣泛的成分，中性氫的研究既可以用來追溯宇宙演化歷史，也可以用來研究星系物質分布、動力演化以及可能的暗物質分布。由于中性氫可以輻射出十分微弱但獨特的射電輻射（由于其波長為21厘米，故又稱21厘米線），因此可以用高靈敏度望遠鏡捕捉其輻射信號。作為目前世界上最靈敏的射電望遠鏡之一，FAST在探測中性氫上有得天獨厚的優勢。2020年7月，中國科學家用FAST已成功探測到了3個低紅移星系的中性氫發射線，或可有助于銀河系外星系的暗物質分布研究。

脈沖星：

宇宙中神秘的“燈塔”

脈沖星是一種大質量恒星演化到后期，經過超新星爆發后留下的“遺物”。目前的理論認為，恒星在后期由于核聚變元素耗盡，自身引力會引發星體坍縮。小質量的恒星（諸如太陽）會留下白矮星;超大質量的恒星可能會留下一個黑洞;中等質量的恒星坍縮后就會留下一顆中子星。中子星的射電輻射以脈沖的形式到達地球，故也稱脈沖星。

星系的可見光（亮白色區域）范圍外，還有大量的射電波段探測到的中性氫氣體（藍色區域）? （圖片來源/N RAO）

脈沖星是一類非常神奇的天體。其最主要特征是：質量大（量級約10萬倍地球質量），半徑小（僅10千米左右）。如此巨大的質量被壓縮在僅一個城市大小的空間內，其密度之高，壓強之大令人無法想象。此時其內部物質組成將不再是普通物質狀態：可能是原子核被壓碎后游離出來的中子，甚至可能是連中子也被壓碎后游離出的更基態的夸克。脈沖星另外的一個最具代表性的特征是超快且精準的自轉速度，其自轉速度最快達每毫秒轉一圈。當脈沖星的射電輻射脈沖從兩級輻射出來被望遠鏡探測到后，我們就可以根據探測到的脈沖周期來確定脈沖星的自轉周期了。部分脈沖星自轉周期極其穩定（億年才變化一秒），甚至超過了目前人類的時間標準——原子鐘。

宇宙演化歷史和中性氫的合成

研究脈沖星一方面可以幫助科學家回答極端條件下（超強磁場、超強引力場、超高溫等）一些基本的物理規律，也可以用于布局未來的脈沖星星際導航。此外，脈沖星計時觀測也可以用來探測引力波。由于脈沖星周期特別穩定，通常情況下兩個脈沖到達地球的時間間隔應該相同。如果在傳播過程中，脈沖穿過被引力波擾動的時空，那么其到達時間勢必受到影響。通過測量脈沖星脈沖到達時間的間隔，可以間接得到引力波。

對脈沖星的研究，FAST也具有得天獨厚的優勢。超高的靈敏度可以幫助人們探測到以往其他設備無法探測到的弱射電脈沖星信號，發現更加特異的輻射特性、得到更精確的脈沖到達時間等。目前，中國科學家利用FAST已經探測到了數百顆新的射電脈沖星，引力波探測也在進行當中。

快速射電暴：

來自宇宙的神秘信號

快速射電暴（Fast Radio Burst，簡稱FRB），顧名思義，就是短時間內巨大的能量在射電波段內爆發的輻射。人類第一次發現FRB是在2007年。天文學家鄧肯·洛里默等人在處理以往的射電數據時，首次發現了這種異常的輻射爆發，不過一開始人們對其地外起源表示懷疑。后來又陸續發現多個類似爆發后，天文學家才開始意識到這是一種以前未探測到的宇宙信號。

射電脈沖星（中子星）假想圖

迄今為止，人類已經捕捉到了上千起快速射電暴，已公開的這些射電暴基本上均被確認為銀河系外起源。不過，2020年4月加拿大科學家新發現了起源于銀河系內的射電暴。那么到底是什么機制產生了如此強大的能量爆發呢？雖然目前尚無定論，但大多數科學家認為這種爆發可能來自某些致密天體類似太陽爆發的星體活動，比如白矮星、中子星以及黑洞等。對其物理過程以及起源天體的研究已成為了天文學的前沿熱門領域。

2020年4月，FAST探測到的第一顆FRB公開發表（由國家天文臺研究員朱煒瑋等完成）。得益于FAST強大的性能，科學家探測到了這顆FRB罕見的多個爆發成分。目前，天眼團隊已探測到了多起FRB，數據均在進一步處理當中。不僅如此，FAST充分發揮其高靈敏度的優勢，探測到了FRB 180301這顆爆發源的輻射偏振（由北京大學羅睿博士等完成），極大地限制了FRB輻射起源的理論模型。目前這項世界級發現已經被各國科學家接受并認可。

星際分子：

生命起源的第一縷光

星際分子是指存在于宇宙星際空間的有機或無機分子。很長一段時間以來，天文學家認為宇宙空間除了一些天體和星云等物質外，就再也沒有其他有原子構成的物質了。直至20世紀60年代，星際分子的發現打破了這一認知。特定的星際分子會吸收特定頻率的電磁波，因此可以通過觀測電磁波譜在某些頻率的吸收線來認證特定的分子。迄今為止，科學家已經找到了數百種星際分子，其中包括合成氨基酸、DNA的一些基本分子。

雙黑洞繞轉并和引發的時空漣漪會影響脈沖星脈沖到達地球的時間

為什么宇宙空間會存在星際分子呢？這得從恒星的“一生”說起。恒星誕生之初基本只有簡單的氫元素。經過不斷的核聚變，最簡單的氫元素會不斷核合成其他更重更復雜的元素，比如碳、氮、氧等。到恒星“瀕臨死亡”時，其內部已經合成了大量的金屬元素了，包括金、銀等。這個演化過程，恒星也合成了一些簡單的分子物質。簡單的分子物質在宇宙空間中經過復雜的高能輻射和互相交融，就有可能合成更復雜的有機分子。

那么我們為什么要研究星際分子呢？這關系到地球生命起源的研究。因為很可能就是星際分子給地球生命的誕生帶來了第一縷光。FAST在尋找星際分子這一領域絲毫不甘人后，這一觀天巨眼正在掃描著宇宙深空的各個角落，相信不久的將來就能找到那些隱藏的分子。

探索地外文明有據可依

人類在宇宙中是否是唯一的？亙古以來，這是一個令無數人好奇但一直沒有獲得答案的問題，直到今天它依然充滿誘惑。相對其他觀測科學，地外文明搜尋一直以來都是一個充滿科幻色彩的課題。

第一個FRB（圖中黑色曲線）在射電數據里的樣子

隨著望遠鏡性能不斷加強，能探測到的信號越來越多，這一曾經科幻的課題變得越來越有科學上的可行性了。曾幾何時，人類第一次探測到脈沖星信號時，也曾認為是外星“小綠人”發來的。如果我們捕捉到異常的、不曾看到的信號，那么就值得對其進行具體研究，確認其可能的起源。

FAST捕捉到的異常信號

FAST可以捕捉到非常微弱的射電信號，除了一些我們熟知的射電源外，有些是我們暫時不能很好解釋的干擾信號。自FAST投入運行以來，美國伯克利大學SETI團隊就與天眼團隊展開了深度合作，共同開發了一套系統，實時篩選FAST收集到的信號，捕捉地外文明的蛛絲馬跡。

隨著阿雷西博的退役，一個大射電時代宣告謝幕，退出了歷史舞臺。作為接力者，中國“天眼”將開啟另一個嶄新的大射電時代。我們將奮力前行，借助天眼窺視更多的宇宙秘密，不斷推動人類對宇宙新的認知！