“巨眼”觀天

放在幾年前，貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮(zhèn)大窩凼絕對(duì)是一個(gè)不為人知且相當(dāng)拗口的地名。而今，一個(gè)天文裝置的出現(xiàn)不僅給這個(gè)偏居大山深處的地方帶來巨大的改變，也將為射電天文學(xué)的發(fā)展帶來全新的機(jī)遇。

從古至今，人類都對(duì)浩渺的星辰與神秘的宇宙懷有強(qiáng)烈的好奇心。古人用肉眼觀察了許多年，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的誕生讓早期的天文學(xué)家得以在可見光范圍內(nèi)觀測(cè)宇宙，而對(duì)于可見光之外的多種輻射，則需要借助各種特殊的望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡就為人們打開了觀測(cè)輻射無線電波天體的一個(gè)窗口。

射電天文望遠(yuǎn)鏡這個(gè)“天眼”，把人類的視線引向了宇宙遙遠(yuǎn)的深處，那里隱藏著更多有關(guān)宇宙起源和演化的關(guān)鍵線索，黑洞、類星體、暗物質(zhì)和暗能量等成了破解宇宙之謎的重大課題。全世界的天文學(xué)家都非常渴望擁有威力更加強(qiáng)大的射電望遠(yuǎn)鏡。誰(shuí)擁有了這種望遠(yuǎn)鏡，誰(shuí)就更有可能站立在現(xiàn)代物理學(xué)和天文學(xué)的潮頭地帶，成為破解宇宙之謎的領(lǐng)軍力量，這就是中國(guó)科學(xué)家為什么要建造一架世界頂級(jí)射電巨鏡—500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）的原因之所在。

FAST這座世界最大最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡于2016年9月25日落成啟用，標(biāo)志著這只“觀天巨眼”終于睜開了。其實(shí)，選址工作早在1994年就開始了，最終在貴州南部喀斯特峰叢洼地地貌中，選中了大窩凼這個(gè)天然洼地，它的形狀最接近FAST的造型—一口大“鍋”。天線接收面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)大小；如果這個(gè)“鍋”中盛上飯，那么全世界每個(gè)人都可以分上兩碗。如此巨大的裝置，安放得卻如此巧妙。在克度鎮(zhèn)，這個(gè)因FAST而催生的天文小鎮(zhèn)，你看不到FAST，卻能時(shí)時(shí)刻刻感受它的存在。直到你沿著綿延的山路，穿過蔥郁的峰叢，來到一處山腳下，再爬上789級(jí)臺(tái)階，如同天外來客一般，F(xiàn)AST躍入了你的眼簾。那種感覺，仿佛穿越了時(shí)空；那種靜謐，仿佛能聽到天外之音。

你能真真切切地聽到天外之音—那是根據(jù)科學(xué)家捕捉到的脈沖星信號(hào)振幅轉(zhuǎn)換為聲音后制作的一段音樂，雖然只有短短30秒，但那是來自茫茫宇宙深處的“天籟之音”。據(jù)FAST首席科學(xué)家李菂介紹，F(xiàn)AST運(yùn)行近兩年來，已發(fā)現(xiàn)44顆新脈沖星。隨著接收裝置的不斷調(diào)試，F(xiàn)AST的巡天成像效率也將不斷提升，有望在明年通過驗(yàn)收并正式向全世界開放。

自從1967年英國(guó)人喬斯琳·貝爾發(fā)現(xiàn)第一顆脈沖星以來，人類已經(jīng)至少發(fā)現(xiàn)了2700顆脈沖星。研究表明，脈沖星是一類高速自轉(zhuǎn)的中子星。這種星由擠壓在一起的中子組成，因此密度高得驚人，直徑幾十千米的中子星質(zhì)量卻比太陽(yáng)還大。中子星是大質(zhì)量恒星坍縮形成的，它們?cè)隗w積縮小時(shí)會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，其能量輻射不時(shí)會(huì)在旋轉(zhuǎn)中掃過地球，于是地球上的射電望遠(yuǎn)鏡就能接收到脈沖信號(hào)了。脈沖星的自轉(zhuǎn)周期極其穩(wěn)定，穩(wěn)定度比目前的氫原子鐘還要高1萬(wàn)倍以上，被譽(yù)為自然界中最穩(wěn)定的天文時(shí)鐘。精準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào)是為航天器導(dǎo)航的必要前提，因而脈沖星也被稱作人類星際航行的“燈塔”。

“天眼”一睜眼，就發(fā)現(xiàn)了一批脈沖星，未來必將在探索脈沖星方面大顯身手。迄今發(fā)現(xiàn)的脈沖星都存在于銀河系之內(nèi)，銀河系之外的其他星系是否也有脈沖星？它們又有什么特別之處呢？FAST有能力在河外星系中尋找脈沖星，為我們解開這個(gè)謎團(tuán)。憑借FAST強(qiáng)大的尋星能力，能為我們建立一個(gè)脈沖星計(jì)時(shí)陣，為脈沖星自主導(dǎo)航和引力波探測(cè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

FAST的建設(shè)和投入使用將把中國(guó)射電天文學(xué)推向世界最前沿，開啟了中國(guó)射電波段大科學(xué)裝置系統(tǒng)產(chǎn)生原創(chuàng)發(fā)現(xiàn)的新階段。“工欲善其事，必先利其器。”這一突出成就昭示我們，在當(dāng)今全球科技競(jìng)爭(zhēng)空前激烈的新背景下，重大的科學(xué)突破離不開科研裝置的進(jìn)步。近年來，中國(guó)在天文學(xué)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，陸續(xù)建成了一批世界領(lǐng)先的高性能天文望遠(yuǎn)鏡。

2009年6月，世界上口徑最大、視場(chǎng)最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡—郭守敬天文望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）建成并通過國(guó)家驗(yàn)收，這座位于河北興隆的大科學(xué)裝置，一舉打破了世界大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡不能同時(shí)擁有大口徑的瓶頸，在觀測(cè)效率上取得飛躍，使我國(guó)在大規(guī)模光學(xué)光譜觀測(cè)和大視場(chǎng)天文學(xué)研究中處于國(guó)際領(lǐng)先地位。最近，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)發(fā)布消息說，經(jīng)過9年的沉淀， LAMOST觀測(cè)到901萬(wàn)條光譜，包括777萬(wàn)條高質(zhì)量的光譜，并確定了534萬(wàn)組恒重力光譜參數(shù)。這是世界其他巡天項(xiàng)目發(fā)布的光譜總數(shù)的1.8倍。LAMOST還重繪了銀河系，將半徑從2017年的6.5萬(wàn)光年擴(kuò)展到現(xiàn)在的10萬(wàn)光年，為銀河系設(shè)定了更精確的尺寸。LAMOST研究小組最新發(fā)現(xiàn)的是一顆奇異天體，它是宇宙中已知的鋰含量最高的一顆恒星，大約是同類天體的3000倍。

2012年10月，亞洲最大的全方位可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡在上海天文臺(tái)正式落成。它能夠觀測(cè)100多億光年以外的天體，為我國(guó)探月工程及各項(xiàng)深空探測(cè)提供支持。

2017年6月，中國(guó)發(fā)射了“慧眼”硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡。它不僅是中國(guó)第一顆空間天文衛(wèi)星，也是世界上已知計(jì)劃中具備最高靈敏度和最強(qiáng)空間分辨本領(lǐng)的空間硬X射線望遠(yuǎn)鏡。它將實(shí)現(xiàn)空間硬X射線高分辨巡天，發(fā)現(xiàn)大批高能天體和天體高能輻射新現(xiàn)象，并對(duì)黑洞、中子星等重要天體進(jìn)行高靈敏度定向觀測(cè)。

目前，新疆奇臺(tái)正在建設(shè)世界最大的110米口徑全向可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡（QTT），計(jì)劃于2023年投入使用。QTT不僅口徑大，靈敏度也將有大幅提升，因而對(duì)脈沖星的搜索能力大為增強(qiáng)，能夠利用脈沖星計(jì)時(shí)陣探測(cè)引力波，并能推進(jìn)對(duì)天體的形成、生命的起源、地外生命的搜尋等國(guó)際最前沿領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

這些望向宇宙深處的中國(guó)“天眼”將引領(lǐng)我們?nèi)ヌ剿髌娈愄祗w，搜尋地外文明，破解宇宙起源和演化之謎，它們不僅是推動(dòng)天文學(xué)向前發(fā)展的重要?jiǎng)恿Γ鼘讶祟悓?duì)自然世界的認(rèn)知能力帶向新的高度。