本文內(nèi)容來自北京市科學(xué)技術(shù)協(xié)會主辦、北京科學(xué)中心承辦、北京科技報社協(xié)辦的首都科學(xué)講堂。講堂每周邀請院士專家開講，傳播科學(xué)知識、科學(xué)方法，弘揚科學(xué)精神、科學(xué)文化，促使公眾全面、正確理解科學(xué)。

今年正逢“中國天眼”落成六周年，作為目前全球最大單口徑、最靈敏的射電望遠鏡，“中國天眼”不僅極大推動了我國在天文領(lǐng)域基礎(chǔ)研究與科研攻關(guān)的步伐，還催生了一系列具有國際影響力的科學(xué)產(chǎn)出。那么“中國天眼”的工作原理是什么？它所代表的射電天文學(xué)經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程？“中國天眼”背后又有哪些鮮為人知的故事？

本期首都科學(xué)講堂邀請中國科學(xué)院國家天文臺研究員、“中國天眼”FAST首席科學(xué)家，為公眾解讀這座仰望蒼穹的觀天巨目。

主講嘉賓：

李菂

中國科學(xué)院國家天文臺研究員，“中國天眼”FAST首席科學(xué)家

射電天文學(xué)的起源

FAST是“500米口徑球面射電望遠鏡”的英文簡寫，一個所見即所得的名字。“中國天眼”FAST這口直徑500米的“大鍋”是能夠透光透風(fēng)和透水的，其實這口“鍋”有超過一半的面積都是空洞。這些空洞足夠小，遠小于工作頻段的無線電波波長，所以它依然是一個高效的反射面——這是一個獨具匠心的科學(xué)工程設(shè)計概念。

我們有必要將“中國天眼”放在人類整個深空探索的歷史中去講述。回溯歷史，作為一門既古老又現(xiàn)代的學(xué)科，天文學(xué)在進入21世紀后，開始越來越多地融入到物理學(xué)領(lǐng)域中。特別是最近幾年，數(shù)屆諾貝爾物理學(xué)獎頒給了天文學(xué)領(lǐng)域相關(guān)的研究。而這種趨勢，實際上是始于20世紀中期，隨著“冷戰(zhàn)”的開始，工業(yè)與軍事技術(shù)非常深度地融入到屬于純基礎(chǔ)研究的太空探索當(dāng)中。

現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代天文學(xué)的起源都可以追溯到一個人：伽利略，他給現(xiàn)代科學(xué)貢獻了基于直接觀測而產(chǎn)生的重要發(fā)現(xiàn)和原理性思考。與他同時代的開普勒終其一生都在試圖構(gòu)建基于正多面體的宇宙模型，盡管最終一無所獲，但他卻獲得了老師第谷遺留的當(dāng)時世界上最精確的太陽系行星運行軌跡和位置，從而總結(jié)出著名的開普勒三大定律——直接推動了現(xiàn)代物理學(xué)的建立。

天體遙不可及，太空探索無法像在地面上一樣做各種觸手可及的物理實驗，這就要借助電磁場。電磁學(xué)最早可以追溯到美國人本杰明·富蘭克林，他做了一系列早期電學(xué)實驗，并試圖去描述自然界中神奇的電磁現(xiàn)象。而這些實驗的集大成者是法拉第，我們在中學(xué)物理課本上就學(xué)過他做的電磁感應(yīng)研究，雖然這在今天已經(jīng)成為我們常識的一部分，但如果回過頭去看，這個實驗還是足以令人驚愕的——磁鐵和線圈沒有任何物理接觸就產(chǎn)生了跨距離的作用！這直接推動了“場”概念的建立，即在自然界，除了我們能夠用肉眼看到，用手觸摸感知到的物體，還有著“場”這種非常實在的存在。它可以用來描述引力，也可以用來描述電磁場。

后來麥克斯韋創(chuàng)立的方程組，對電磁場進行了數(shù)學(xué)表述。麥克斯韋創(chuàng)新性地引入“位移電流”這一概念，預(yù)言電磁轉(zhuǎn)換以光速來傳播——這就將太空發(fā)光的星體、大氣層中的閃電這些“來自天堂的光”和“塵世中的電”統(tǒng)一在了一起。后來的海因里?！ず掌潉t通過自制的天線發(fā)射設(shè)備和感應(yīng)線圈，證明了可以快速傳播的電磁場的存在。我們直到今天還在用赫茲這個名字作為電磁場振動頻率的單位，一個赫茲就是這個場一秒鐘振蕩一次。我們通信所用的頻段，通常是用“幾個G”來表示。G赫茲頻段，就是一秒鐘要振蕩10億次，這就是我們現(xiàn)在常說的無線電頻段。

借助這個頻段作為探測手段去看太空的這一想法，則要追溯到20世紀早期，一位是央斯基，一位是格羅特·雷伯。他們真正代表人類發(fā)現(xiàn)了來自太空的無線電輻射。這一發(fā)現(xiàn)被當(dāng)時的天文學(xué)界忽視了！將無線電作為探測手段系統(tǒng)研究宇宙，要等到另一項重要的發(fā)現(xiàn)之后，即發(fā)現(xiàn)宇宙物質(zhì)的組成成分——原子氫氣。宇宙大爆炸之后，隨著能量密度的下降，能量不斷轉(zhuǎn)化成物質(zhì)，而物質(zhì)最簡單也是最豐富的原子形式，就是氫，它只有一個原子核和一個電子，在大爆炸后相當(dāng)長的時期里，原子氫氣是宇宙中絕對主導(dǎo)的成分。隨著宇宙繼續(xù)膨脹，形成了各種各樣的結(jié)構(gòu)，比如恒星、星系乃至黑洞，最終演變成我們今天豐富多彩的宇宙。現(xiàn)代射電天文學(xué)的全面發(fā)展，由發(fā)現(xiàn)原子氫氣這一宇宙物質(zhì)主要成分的里程碑發(fā)端，幫助人類揭示各種天體的起源。

原子氫氣：揭秘宇宙的起源

即使到了今天，原子氫氣質(zhì)量的總和，也是要遠遠超過人類肉眼所能觀測到的所有恒星與星系的質(zhì)量總和。人類顯然無法在這種極遙遠的尺度上，借助化學(xué)方法或者探針設(shè)備這類常規(guī)手段去直接探測這些原子氫氣。最終到了上世紀40年代中期，荷蘭天文學(xué)界范德胡斯特用當(dāng)時相對成熟的量子力學(xué)理論預(yù)言道：氫原子中電子與原子核的相互作用能產(chǎn)生一個能級差，并釋放一個光子。這種相互作用，就是超精細結(jié)構(gòu)（指導(dǎo)致原子、分子和離子的能級造成細微變化和分裂的一系列效應(yīng)）的一個輻射，所產(chǎn)生的能量是相對低的，其對應(yīng)的波長是21厘米，相當(dāng)于一個籃球或西瓜大小。而這一波長在對應(yīng)的無線電波段是1.4個G赫茲，即一秒鐘該電磁場要反復(fù)振蕩14億次。

真正用實驗去證明這個預(yù)言的，是哈佛大學(xué)物理系的研究生埃文。他搭建了一個非常粗糙的無線電望遠鏡，在后端發(fā)展了非常重要和創(chuàng)新的無線電技術(shù)，比如我們至今仍在使用的頻率切換。無線電探測手段，不僅能探測輻射的強度，還能探測其相對我們運動的速度。范德胡斯特和埃文的發(fā)現(xiàn)，使人類得以窺見宇宙物質(zhì)最主要的組成部分及其動力學(xué)性質(zhì)。值得一提的是埃文搭建的實驗設(shè)備非常便宜，整個預(yù)算不超過500美元。

50年代后，射電天文學(xué)這個學(xué)科才正式出現(xiàn)，除了哈佛大學(xué)開始設(shè)立博士點外，其他研究單位也開始建立自己的射電研究設(shè)備。而這主要得益于美國二戰(zhàn)期間軍事實驗室留下的大量剩余設(shè)備，埃文本人則是以極為低廉的價格從一個瀕臨倒閉的無線電實驗室獲取各種部件。這也讓心靈手巧的埃文能用區(qū)區(qū)500美元就搭建了這樣一個世界最前沿的觀測裝置。

大氣層對于無線電的遮擋程度實際上是有限的，對于10米波長內(nèi)的信號而言，大氣層存在3-4個數(shù)量級的窗口，是完全透明的。這也就是我們?nèi)祟愖畛Ｓ玫耐ㄐ蓬l段，因此在遇到刮風(fēng)下雨時，我們的手機依然可以正常使用。而在這個頻段，原子氫氣所對應(yīng)的特征頻率就是1.4G赫茲，以及21厘米波長。這就使得射電望遠鏡能夠看向宇宙。

射電望遠鏡的外形千奇百怪，但其基本組成就只有三個部分：首先是天線，負責(zé)收光。其次是饋源，負責(zé)采集聚焦后的電磁場信號。最后是終端，負責(zé)提取科學(xué)家所需的信息。其實，普通的通信基站、衛(wèi)星電視天線，甚至手機本身，都可以看成一個射電望遠鏡，不過這取決于這些設(shè)備要看到什么與把看到的處理成什么。對于普通人而言，終端設(shè)備將這些信號處理成短視頻等形式，對于天文學(xué)家來說，則將其處理成宇宙物質(zhì)的氫氣信號。

橫空出世的阿雷西博望遠鏡

從50年代射電天文學(xué)這一學(xué)科正式出現(xiàn)以來，全世界的天文學(xué)家就開始著手搭建自己的觀測設(shè)備。但這些設(shè)備的口徑基本就是20-30米。而阿雷西博射電望遠鏡的橫空出世，則將口徑躍升到了300米級別， 跳躍性地拓展了人類探測宇宙的精度與深度。但這個項目最初并不是由天文學(xué)界提出的，而是來自一個名叫威廉·戈登的電子工程師的天才想法：他設(shè)想對大氣電離層中等離子體反射的雷達回波進行監(jiān)測。由于這種信號非常微弱，他測算需要建設(shè)口徑達300米的巨型天線才可行。得益于冷戰(zhàn)時期美蘇太空競賽的助推作用，當(dāng)時的美國國防部高級研究計劃署（ARPA）投資了阿雷西博射電望遠鏡項目。

這個項目看似瘋狂，但是工程師又有一些看似簡單卻非常天才的解決方案。首先這么大規(guī)模的天線，肯定是無法將其托舉起來的，所以工程師們就在加勒比海的波多黎各島上找了一處喀斯特地貌進行建設(shè)，直接用自然形成的碗形大坑作為底座。其次，由于球面是無法形成點聚焦的，工程師們就設(shè)計了一根3-4層樓高的金屬懸吊塔，被稱為“線饋”，以此來形成球面聚焦的焦點，其長度與工作信號的波長成正比。如果我們?nèi)庋勰軌蚩吹綗o線電波的話，就會發(fā)現(xiàn)電波像光線一樣首先打到線饋的底端，然后越往線饋頂部走越亮，到達頂部感應(yīng)器時又重新聚焦，變得最亮。這樣一個設(shè)計理念，使得阿雷西博望遠鏡在建成伊始就取得了一系列載入教科書的重大發(fā)現(xiàn)。

在阿雷西博射電望遠鏡落成后的1967年，人類首次發(fā)現(xiàn)了脈沖星。我們知道，脈沖星是一個穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)且具有極高磁場與極高物質(zhì)密度的中子星，其物質(zhì)狀態(tài)極為特殊，體內(nèi)已經(jīng)壓縮到?jīng)]有電子和質(zhì)子，平均密度高達每立方厘米1億-10億噸！脈沖星最重要的特征，就是轉(zhuǎn)動特別穩(wěn)定，可以達到每10億年慢1秒的程度，堪比高精度的原子鐘，這相當(dāng)于為人類在宇宙中提供了一個時鐘。

在脈沖星這個重大發(fā)現(xiàn)之后，美國天文學(xué)家泰勒就提出要借助阿雷西博望遠鏡去探索新的脈沖星，并申請立項。1973年，在探測項目剛執(zhí)行的當(dāng)年，泰勒的學(xué)生就發(fā)現(xiàn)了一個脈沖雙星系統(tǒng)（由一顆脈沖星和一顆中子星組成），科學(xué)家們根據(jù)該星的脈沖能夠精確地研究其軌道動力學(xué)。在傳統(tǒng)的牛頓經(jīng)典力學(xué)體系中，兩個在真空中相互轉(zhuǎn)動的物體是在做加速運動（運動方向變化），但沒有能量耗散。泰勒在對于該脈沖星的時鐘信號進行了長達20年的精確測量后，發(fā)現(xiàn)這個雙星系統(tǒng)的軌道是嚴格按照廣義相對論的預(yù)言在衰減，兩顆星的軌道在逐步接近——這說明兩顆星的能量在真空中耗散了。原來中子星在加速運動中可以掀起時空的漣漪，而這個時空漣漪本身是可以帶走能量的。這種能量輻射的機制，就是今天我們耳熟能詳?shù)摹耙Σā?。泰勒的這個發(fā)現(xiàn)，連同隨后的工作，讓他和天體物理學(xué)獎赫爾斯一道榮獲了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

射電天文學(xué)發(fā)展的重要里程碑就是對中性氫的探索，但阿雷西博望遠鏡本身卻一直不適合作中性氫的研究。雖然“線饋”裝置是一個天才設(shè)計，但缺陷也很明顯：如果觀測波長有變，就需要整體更換這個“線饋”裝置。而宇宙中的氣體相對于地球是有各種各樣的紅移的。如果是只能作窄帶觀測的系統(tǒng)，其觀測范圍勢必會非常受限。從70-80年代開始，工程師們一直在思考各種改進方案，最終在90年代中期給阿雷西博望遠鏡又安裝了一座四層樓高重達300噸的穹頂，在穹頂內(nèi)工程師加裝了兩面鏡子，通過這種特殊設(shè)計的幾何面，使得望遠鏡具備了作寬帶觀測研究的能力。

阿雷西博望遠鏡完成改造后不久，我還在康奈爾大學(xué)讀書，也去阿雷西博天文臺進行了觀測研究。2003年，我們發(fā)現(xiàn)了一類特殊的原子氫氣，并基于此發(fā)展出“中性氫窄線自吸收”（即HINSA）的觀測方法，這種方法就類似于同位素“碳紀年”法，以“氫紀年”的方式來檢視宇宙中物質(zhì)主要成分演化的歷史。

“中國天眼”，站在前人的肩膀上

有了阿雷西博望遠鏡這樣一個成功的觀天巨目后，90年代早期，全球的天文學(xué)家就開始討論下一代巨型射電天文望遠鏡。此時，中國的科學(xué)家們也提出了自己的設(shè)計概念，即建設(shè)20個像阿雷西博這樣的巨大天眼，組成一個陣列，這樣其觀測能力就能達到前所未有的深度和精度。

老一輩天文學(xué)家提出的20個天眼的宏偉方案，最終只有一個幸存下來，這就是今天的“中國天眼”，這是我國天文學(xué)界學(xué)習(xí)先進并趕超的一次重要嘗試，我本人非常榮幸在2012年回到中國科學(xué)院，參與這個項目的建設(shè)。

“中國天眼”的建設(shè)地點，位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村。2011年正式開工建設(shè)，2012年工程基本的三通一平工作完成，2013年圈梁鋼架結(jié)構(gòu)入場，到2015年整個索網(wǎng)結(jié)構(gòu)到位。在建設(shè)過程中，工程人員將天線的面板放在一個能夠運動的金屬組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上，負責(zé)吊裝面板的吊車將圈梁作為軌道來移動，搬運11米邊長的三角形面板，并由索網(wǎng)上的工程師將面板安裝到位。到2016年9月25日，整個工程建設(shè)階段結(jié)束，在竣工典禮上，當(dāng)年因發(fā)現(xiàn)雙中子星系統(tǒng)而獲得諾貝爾獎的泰勒也親赴現(xiàn)場見證。

“中國天眼”口徑達500米，通過上千個面板的組合運動，將500米中的300米從球冠的一部分變成一個拋物面。但要實現(xiàn)對于平行光的點聚焦，還需要實時挪動天眼中的焦點，即變換電磁場采樣和受光裝置的位置。我們采用了一個30噸重的饋源艙，然后用六根纖細的牽拉索，像提線木偶一樣使其可以在幾十米的焦平面上精確飛行，飛行精度可以實時地達到1厘米。這樣通過組合反射面的運動與饋源艙的運動相互配合，我們就實現(xiàn)了對來自太空平行光的點聚焦。

這樣一個創(chuàng)新的設(shè)計理念使得“中國天眼”成為人類歷史上對無線電信號采集最靈敏的射電天文望遠鏡。在經(jīng)過艱苦的調(diào)試之后，“中國天眼”在2017年10月10日公布了第一個科學(xué)發(fā)現(xiàn)：一顆新的射電脈沖星，它距離地球?qū)⒔?萬光年之遠。這次發(fā)現(xiàn)證明：“中國天眼”不僅是一個成功的科學(xué)工程項目，同時也是正在有效做出科學(xué)發(fā)現(xiàn)的大科學(xué)裝置系統(tǒng)?；诎⒗孜鞑┩h鏡的理念，“中國天眼”運用更多更為現(xiàn)代的創(chuàng)新技術(shù)，除了不斷探索脈沖星外，還將系統(tǒng)描繪宇宙原子氫氣21厘米譜線的輻射。

而早在2015年，我們就開始探討如何利用“中國天眼”進行巡天觀測，以前的射電望遠鏡既做過脈沖星的巡天觀測，也做過中性氫的巡天觀測，但還沒有哪個設(shè)備能夠同時實現(xiàn)這兩個巡天任務(wù)。到了2018年，我們基于高視頻噪聲注入技術(shù)，實現(xiàn)了世界上首個中性氫與脈沖星同時觀測的大型巡天觀測模式?；诖说捻椖棵Q是“多科學(xué)目標(biāo)同時巡天”(簡稱CRAFTS)。我們利用“中國天眼”的19個波束，通過地球的自轉(zhuǎn)帶動波束飄過天空，進行掃描，同時記錄四類科學(xué)數(shù)據(jù)，這樣就實現(xiàn)了脈沖星搜索、中性氫成像、中性氫的星系搜索和射電暫現(xiàn)源的搜索。這樣一個多性能巡天項目得到FAST科學(xué)委員會批準，成為FAST優(yōu)先重大項目之一。

“中國天眼”的嘗試才剛剛開始

除了中性氫、脈沖星這些傳統(tǒng)領(lǐng)域的探索，“中國天眼”也一直在新前沿系統(tǒng)性取得重要發(fā)現(xiàn)。2007年，天文學(xué)家探測到了一個全新的未知神秘信號，被稱為“快速射電暴”。這個信號特別亮，而且信號源距離地球非常遙遠，科學(xué)家們推測其本征能量非常之大。直到快速射電暴被發(fā)現(xiàn)10年后，人類才第一次對一個會重復(fù)爆發(fā)的信號源進行定位，由此測量其所在星系的距離。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這一快速射電暴信號源在距離地球非常遙遠的貧金屬矮星系里，并由此估算出其驚人的能量：在短短的千分之幾秒內(nèi)，快速射電暴蘊含的本征能量足夠人類社會用1萬億年！目前人類根本不知道什么樣的天體能發(fā)射出快速射電暴。

目前全球已探測到600多例快速射電暴事件，“中國天眼”CRAFTS巡天發(fā)現(xiàn)了4例。而通過CRAFTS巡天項目，我們在2019年還發(fā)現(xiàn)一個重復(fù)的快速射電暴，這也是世界上已知的第一個持續(xù)活躍的快速射電暴——以往發(fā)現(xiàn)的快速射電暴都是只爆發(fā)一次或有間歇期。我們利用天眼深度觀測重復(fù)快速暴，相關(guān)成果入選2021年度“中國科學(xué)十大進展”。根據(jù)CRAFTS的發(fā)現(xiàn)可以估算，快速射電暴每天發(fā)生10萬次以上。如果我們有合適的設(shè)備看遍天空，人類生活在一個動態(tài)宇宙之中，每天每個方向都可能在發(fā)生劇烈的爆炸！

“中國天眼”的建設(shè)經(jīng)歷了20多年，但正式運行也就兩年多。在這兩年多時間里，有將近400個項目在依托“中國天眼”進行觀測研究?！爸袊煅邸贝呱?50多篇學(xué)術(shù)期刊論文，其中包括在《自然》與《科學(xué)》這類國際頂級期刊上發(fā)表的文章。它的科學(xué)產(chǎn)出效率與所取得的成果，遠遠超過了我最樂觀的期待與想象！“中國天眼”在阿雷西博望遠鏡這樣一個科學(xué)工程奇跡的基礎(chǔ)上進行了延展和創(chuàng)新，已經(jīng)成為一座非常成功的射電天文望遠鏡。在射電天文這樣一個小領(lǐng)域，“中國天眼”是南仁東先生常說的“從追趕到超越的一次嘗試”，而這個嘗試現(xiàn)在才剛剛開始。

（本期圖片、視頻來自第776期首都科學(xué)講堂）

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