新華社訊 10月10日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)宣布，500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)經(jīng)過(guò)一年緊張調(diào)試，已實(shí)現(xiàn)指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測(cè)模式的順利運(yùn)行，并確認(rèn)多顆新發(fā)現(xiàn)脈沖星。
“天眼”工程副總工程師李菂介紹，“天眼”調(diào)試進(jìn)展超過(guò)預(yù)期，目前已探測(cè)到數(shù)十個(gè)優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中6顆通過(guò)國(guó)際認(rèn)證。
這其實(shí)是一件大事!其意義不僅限于實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在脈沖星探測(cè)領(lǐng)域“零的突破”，更重要的是，為將來(lái)更重要的探索開了一個(gè)好頭，好戲還在后頭。
那么，脈沖星到底是什么?中國(guó)發(fā)現(xiàn)這樣的“星星”究竟有何意義?庫(kù)叔今天就來(lái)跟你聊一聊。
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詭異之星
先來(lái)說(shuō)說(shuō)被發(fā)現(xiàn)的脈沖星是什么？
宇宙萬(wàn)物都要經(jīng)歷死亡，時(shí)刻散發(fā)光和熱的恒星也免不了。有一些恒星死亡之后，會(huì)爆炸，變成超新星。超新星爆炸以后剩下的渣滓，有一部分就是中子星，如果這個(gè)中子星碰巧有磁場(chǎng)，那么它旋轉(zhuǎn)起來(lái)就會(huì)形成脈沖星，也就是說(shuō)，脈沖星其實(shí)是特殊的中子星。
對(duì)人類來(lái)說(shuō)，單純的中子星就很詭異：中子星的個(gè)頭只有一座小型城市那么大，但質(zhì)量卻比太陽(yáng)還要重。這么說(shuō)吧，假設(shè)有一個(gè)天平，一端盛上一茶匙的中子星物質(zhì)，另一端則需要一座高達(dá)3000米的山峰才能相抵。
一茶匙的中子星物質(zhì)需要一座高達(dá)3000米的山峰才能抵得住
對(duì)于想造訪中子星的人類來(lái)說(shuō)，在中子星上著陸是永不可能的。中子星表面強(qiáng)大的引力會(huì)瞬間把飛船以及里面的一切都?jí)撼珊隣畹膩喸恿Ｗ印?/p>
而作為特殊中子星的脈沖星，除了具備中子星的普遍特性之外，最大的特點(diǎn)就是它的輻射束會(huì)周期性快速掃過(guò)地球，使地球人看到一個(gè)個(gè)周期脈沖。
這和我們?cè)诤＠锖叫袝r(shí)看到過(guò)的燈塔有點(diǎn)像。設(shè)想一座燈塔總是亮著而且不停地有規(guī)則地運(yùn)動(dòng)，燈塔每轉(zhuǎn)一圈，由它窗口射出的燈光就射到我們的船上一次。燈塔不斷旋轉(zhuǎn)，在我們看來(lái)，它的光就連續(xù)地一明一滅。
脈沖星也是一樣，它每自轉(zhuǎn)一周，我們就接收到一次它輻射的電磁波，于是就形成一斷一續(xù)的脈沖，這種現(xiàn)象也叫“燈塔效應(yīng)”。
這樣看來(lái)，脈沖星這樣極端的天體是世人難以想象的存在。
1967年，英國(guó)女科學(xué)家約瑟琳·貝爾意外發(fā)現(xiàn)了脈沖星。當(dāng)時(shí)，接收到的脈沖星信號(hào)為無(wú)線電波，就像以前的電報(bào)信號(hào)一樣，嗒嗒，嗒嗒嗒……她以為接收到的是外星人的信號(hào)，所以給這顆星取名“小綠人一號(hào)”。
后來(lái)，貝爾又發(fā)現(xiàn)幾顆脈沖星，而且信號(hào)來(lái)自四面八方。銀河系各界的外星人，怎么會(huì)湊巧在同一時(shí)間給地球發(fā)信號(hào)?這顯然是不太可能的，這樣就暫時(shí)排除了信號(hào)是來(lái)自外星人的可能性。
英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士約瑟琳·貝爾是脈沖星的第一位發(fā)現(xiàn)者
經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，貝爾在《Nature》上發(fā)表了這種未知的天體，因這種星體不斷地發(fā)出電磁波脈沖信號(hào)，就把它命名為“脈沖星”。
這里有一點(diǎn)需要注意，我們?cè)诘厍蛏辖邮盏降男盘?hào)，其實(shí)是很早前發(fā)出的。就拿“天眼”發(fā)現(xiàn)新脈沖星舉例，這兩顆分別距離地球1.56萬(wàn)光年和4100光年，信號(hào)發(fā)射之后，需要1.56萬(wàn)年和4100年才能到達(dá)地球。
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搜尋競(jìng)賽
上世紀(jì)60年代，是射電天文學(xué)方興未艾的時(shí)代，也是國(guó)際射電天文學(xué)界群雄逐鹿的年代。人類第一次大規(guī)模地透過(guò)光學(xué)以外的電磁波窗口向宇宙好奇地瞭望，所見的一切都是新鮮的。
貝爾發(fā)現(xiàn)脈沖星的消息一經(jīng)發(fā)出，頓時(shí)轟動(dòng)全球，被譽(yù)為20世紀(jì)天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一(另外三個(gè)是類星體、星際有機(jī)分子和微波背景輻射)，為天文學(xué)和天體物理研究開辟了新的領(lǐng)域，也為各國(guó)的國(guó)際競(jìng)賽開辟了新的跑道。
得益于二戰(zhàn)中為防御德國(guó)空軍而成長(zhǎng)起來(lái)的雷達(dá)技術(shù)，美國(guó)、英國(guó)及其前殖民地澳大利亞的射電天文技術(shù)發(fā)展暫時(shí)領(lǐng)先。
到發(fā)現(xiàn)脈沖星的10周年(1977)，各國(guó)共發(fā)現(xiàn)脈沖星149顆。
1978年，澳大利亞的莫朗格洛望遠(yuǎn)鏡在“科學(xué)的春天”發(fā)力領(lǐng)跑，一鼓作氣將已知脈沖星數(shù)量翻了一倍多，達(dá)到了320顆。
不過(guò)，在接下來(lái)的20年中，新脈沖星發(fā)現(xiàn)的步伐只能說(shuō)不緊不慢：在美屬波多黎各、當(dāng)時(shí)世界最大的、口徑達(dá)到305米的望遠(yuǎn)鏡阿雷西博，美國(guó)綠岸天文臺(tái)91米望遠(yuǎn)鏡、英國(guó)喬德雷爾·班克天文臺(tái)76米望遠(yuǎn)鏡，以及澳大利亞帕克斯天文臺(tái)64米望遠(yuǎn)鏡的共同努力下，到脈沖星發(fā)現(xiàn)的30周年(1997年)，各國(guó)脈沖星搜尋的累計(jì)戰(zhàn)果僅擴(kuò)大到了705顆。
由此可以看出，在搜尋的前30年，脈沖星的發(fā)現(xiàn)增長(zhǎng)幾乎是線性，而非指數(shù)的。這也是由射電望遠(yuǎn)鏡的特性所決定的：一般一次只能觀測(cè)一個(gè)方向，也就是說(shuō)，射電望遠(yuǎn)鏡是一個(gè)只能一個(gè)點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)連續(xù)拍照的“單像素”相機(jī)。
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“天眼”發(fā)力
由于歷史和設(shè)備原因，我國(guó)其他射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到過(guò)多顆已知脈沖星，但沒(méi)發(fā)現(xiàn)過(guò)新脈沖星。這次可以發(fā)先新的脈沖星，要?dú)w功于具有極高靈敏度的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)。
FAST位于貴州省平塘縣名為大窩凼的喀斯特洼地之中，它突破了射電望遠(yuǎn)鏡工程極限，是目前世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，接收面積相當(dāng)于30個(gè)足球場(chǎng)大小，被譽(yù)為“中國(guó)天眼”。
那么這個(gè)“中國(guó)天眼”，到底有多牛?
*它是我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“大國(guó)重器”。
*它是世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，比德國(guó)波恩100米望遠(yuǎn)鏡的靈敏度高10倍，比美國(guó)阿雷西博350米望遠(yuǎn)鏡的綜合性高10倍。
*它一開機(jī)，就能收到1351光年外的電磁信號(hào)，未來(lái)可用于捕捉外星生命信號(hào)!
目前，F(xiàn)AST發(fā)現(xiàn)新脈沖星的時(shí)間點(diǎn)還處于該望遠(yuǎn)鏡的“調(diào)試初期”。經(jīng)過(guò)一年的緊張調(diào)試，F(xiàn)AST已實(shí)現(xiàn)指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測(cè)模式的順利運(yùn)行，調(diào)試進(jìn)展超過(guò)預(yù)期及大型同類設(shè)備的國(guó)際慣例;而且，已經(jīng)開始系統(tǒng)的科學(xué)產(chǎn)出。
這其中就包括對(duì)外發(fā)布的“新脈沖星的發(fā)現(xiàn)”——從今年8月FAST開展掃描試觀測(cè)以來(lái)，不到2個(gè)月內(nèi)就發(fā)現(xiàn)了6顆脈沖星。
那么，F(xiàn)AST怎么找到遙遠(yuǎn)的脈沖星呢?
形象地來(lái)說(shuō)，如果FAST是一位男生，脈沖星是銀河系范圍里的女生。FAST不是“只盯著一個(gè)姑娘看”，它的策略是選定一個(gè)大方向——赤道以南的天空區(qū)域，等著，對(duì)川流不息的人群進(jìn)行連續(xù)“拍照”，然后再?gòu)倪@些照片中尋找“意中人”。
未來(lái)，F(xiàn)AST在脈沖星搜尋領(lǐng)域更是大有可為。
若說(shuō)過(guò)去50年，脈沖星家族新成員的發(fā)現(xiàn)是西方發(fā)達(dá)國(guó)家說(shuō)了算的話，那未來(lái)20年可能要更多地指望中國(guó)了。FAST有望發(fā)現(xiàn)更多奇妙、新型的脈沖星系統(tǒng)，探索愛因斯坦提出的地球上無(wú)法驗(yàn)證的各種假說(shuō)。
中國(guó)為何有此底氣?
因?yàn)樵贔AST之前，地球上所有望遠(yuǎn)鏡都只能看見銀河系里的脈沖星。
而隨著FAST加入射電望遠(yuǎn)鏡家族，科學(xué)家預(yù)測(cè)人類發(fā)現(xiàn)的脈沖星家族有望擴(kuò)員一倍，而且會(huì)看見河外星系的脈沖星，甚至是圍繞黑洞的脈沖星。銀河系約有6萬(wàn)顆可觀測(cè)的脈沖星，目前只探測(cè)到了約4.5%，F(xiàn)AST具有高靈敏度和分辨率，使得很多暗弱的脈沖星均在其視野里，預(yù)計(jì)可測(cè)4000顆以上脈沖星。
可以說(shuō)，“中國(guó)天眼”FAST在20年內(nèi)都有望保持世界一流望遠(yuǎn)鏡的地位。
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觸摸未來(lái)
探索脈沖星對(duì)我們來(lái)說(shuō)究竟有何意義呢？
其實(shí)，一個(gè)基礎(chǔ)科研成果，短期內(nèi)是看不到惠及人類的效果的。但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，探索脈沖星為我們打開了新世界的大門。
“中國(guó)天眼”新發(fā)現(xiàn)的1號(hào)脈沖星示意圖
首先，脈沖星是一種理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室。
很早以前，物理學(xué)就陷入了“實(shí)驗(yàn)物理遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論物理”的掙扎中。
也就是說(shuō)，理論物理學(xué)家已經(jīng)提出了一大堆合理假說(shuō)，但是實(shí)驗(yàn)卻難以驗(yàn)證，這一點(diǎn)，在天體物理方面表現(xiàn)得尤為明顯。
而脈沖星就是一種理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室，它高度致密，又有強(qiáng)引力場(chǎng)，具有在地面實(shí)驗(yàn)室無(wú)法實(shí)現(xiàn)的極端物理性質(zhì)。沒(méi)有這個(gè)實(shí)驗(yàn)室，很多天體物理方面的假說(shuō)就只能是假說(shuō)。而對(duì)其進(jìn)行研究，就有希望得到許多重大物理學(xué)問(wèn)題的答案。
其次，脈沖星可用來(lái)探測(cè)引力波。
引力波是宇宙中難以捉摸的漣漪，理論預(yù)言其產(chǎn)生于大尺度宇宙事件，例如在宇宙早期，兩個(gè)星系合并后其中心產(chǎn)生大質(zhì)量雙黑洞系統(tǒng)，以及大爆炸早期瞬間產(chǎn)生的宇宙膨脹遺跡。
雖然在沒(méi)有霧霾和城市光污染的夜晚里，我們能看到璀璨的星河，但是要知道真正的宇宙中，大部分地方(90%以上)都是無(wú)盡的黑暗。而且這種黑暗是真正的、永恒的黑暗——因?yàn)樗鼈兪呛诙春桶滴镔|(zhì)，不管造多強(qiáng)多好的望遠(yuǎn)鏡，對(duì)這些黑暗我們都束手無(wú)策。
有了引力波探測(cè)之后，我們終于有能力去探測(cè)宇宙的黑暗里到底有什么。雖然暗物質(zhì)無(wú)形無(wú)色，但是它有著巨大的質(zhì)量，利用引力波我們終于能捕捉到它的蛛絲馬跡。
當(dāng)引力波傳來(lái)時(shí)，它會(huì)使得“時(shí)空”發(fā)生擾動(dòng)。這時(shí)如果利用大型射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)多顆不同方向的脈沖星，會(huì)發(fā)現(xiàn)有的脈沖星信號(hào)到達(dá)時(shí)間提前，有的脈沖星信號(hào)到達(dá)時(shí)間滯后，從而提出干擾影響，直接探測(cè)到引力波的存在。
這可了不得!要知道，2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就花落引力波探測(cè)，引力波是愛因斯坦廣義相對(duì)論中的重要推論。對(duì)引力波的探測(cè)不僅可以進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)論的正確性，而且將為人類展現(xiàn)出一幅全新的物質(zhì)世界圖景：茫茫宇宙，只要有物質(zhì)，就有引力輻射。
第三，脈沖星可用于宇宙導(dǎo)航。
如果將來(lái)人類飛到太陽(yáng)系以外，世界各國(guó)的多種自主導(dǎo)航方法，無(wú)論是慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航，還是天文導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航等都會(huì)失效。
那茫茫宇宙我們靠什么來(lái)導(dǎo)航呢?
脈沖星的信號(hào)!脈沖星導(dǎo)航具有定位精度高、抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)需地面系統(tǒng)支持等特點(diǎn)，尤其在深空、戰(zhàn)爭(zhēng)等極端條件下對(duì)航天器自主導(dǎo)航具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，是各航天強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展的尖端技術(shù)。
探索未知、追尋真理、掌握命運(yùn)、敬畏自然是我們?nèi)祟惖奶煨?。利用脈沖星，邁出“開眼看宇宙”的堅(jiān)實(shí)一步，就像我們?cè)诿Ｃ４蠛Ｖ杏辛说貓D，去揚(yáng)帆探索“新大陸”。
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告慰南老
說(shuō)到今天FAST首秀帶來(lái)的成就，就一定要提一位天文學(xué)家——南仁東。
9月16日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)發(fā)布訃告，中國(guó)著名天文學(xué)家、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)工程首席科學(xué)家兼總工程師南仁東病逝，享年72歲。
古有十年磨一劍，今有二十年塑天眼。在懷念南仁東時(shí)，他的同事和學(xué)生們說(shuō)，“南老師20多年只做了這一件事”。
南仁東和FAST的緣分，要從1993年說(shuō)起。
那一年，日本東京召開國(guó)際無(wú)線電科學(xué)聯(lián)盟大會(huì)，人們希望在全球電波環(huán)境惡化到不可收拾之前，建造新一代射電“大望遠(yuǎn)鏡”。
時(shí)任中國(guó)科學(xué)院北京天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)的南仁東，一把推開代表中國(guó)參會(huì)的吳盛殷的門，直率地說(shuō)：“咱們也建一個(gè)吧?！?/p>
那時(shí)的南仁東才回國(guó)三年，此前他在日本國(guó)立天文臺(tái)當(dāng)客座教授，一天的薪水相當(dāng)于國(guó)內(nèi)一年?？僧?dāng)北京天文臺(tái)需要他時(shí)，他立刻就回來(lái)了。
南仁東參加早期的大窩凼選址
從此，他參與到FAST設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中。
為了在貴州選到最適合建造500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的位置，南仁東白天黑夜不停地走訪。以當(dāng)時(shí)的道路條件，每天最多走1—2個(gè)窩凼。他晚上回到縣城，白天再跋涉過(guò)來(lái)。
直到有一天，踏上大窩凼，這是一大片漏斗天坑群，像天然的巨碗。四周的青山抱著一片洼地，山上郁郁蔥蔥，幾排灰瓦的木屋陳列其中，雞犬之聲不絕于耳。
南仁東站在窩凼中間，興奮地說(shuō)：“這里好圓?！?/p>
初期勘探結(jié)束后，其他人大多回到了原先的工作崗位，只有南仁東滿中國(guó)跑。為了尋求技術(shù)合作，他坐火車從哈工大到同濟(jì)，再?gòu)耐瑵?jì)到西安電子科技大學(xué)。
他還設(shè)法多參加國(guó)家會(huì)議，逢人就推銷項(xiàng)目?！拔议_始拍全世界的馬屁，讓全世界來(lái)支持我們?！苯?jīng)歷了艱辛的10多年，F(xiàn)AST項(xiàng)目總算漸漸有了名氣。
2006年，中國(guó)科學(xué)院召開各院長(zhǎng)會(huì)議，聽取各個(gè)“十一五”大科學(xué)工程的立項(xiàng)申請(qǐng)匯報(bào)，南仁東在會(huì)上為FAST申請(qǐng)立項(xiàng)得到通過(guò)。在最后的國(guó)際評(píng)審中，他用英文發(fā)言，由于提前把整篇稿子背了下來(lái)，評(píng)審最后，國(guó)際專家開玩笑說(shuō)：“英文不好不壞，別的沒(méi)說(shuō)清楚，但要什么，他說(shuō)得特別明白?！?/p>
2007年，國(guó)家批復(fù)FAST立項(xiàng)。2011年3月，村民搬遷完畢，F(xiàn)AST工程正式動(dòng)工建設(shè)。開工那天，南仁東在洼地上，默默看著工人們砍樹平地，他對(duì)身旁的工作人員說(shuō)：“造不好，怎么對(duì)得起人家?”
關(guān)鍵技術(shù)無(wú)先例可循、關(guān)鍵材料急需攻關(guān)、核心技術(shù)遭遇封鎖……從選址到建成的22年時(shí)間里，南仁東帶領(lǐng)老中青三代科技工作者克服了不可想象的困難，實(shí)現(xiàn)了由跟蹤模仿到集成創(chuàng)新的跨越。
南仁東曾這樣描述自己為什么為FAST這么拼命：
“我談不上有高尚的追求，沒(méi)有特別多的理想，大部分時(shí)間是不得不做……人總得有個(gè)面子吧，你往辦公室一攤，什么也不做，那不是個(gè)事?！?/p>
“我特別怕虧欠別人，國(guó)家投了那么多錢，國(guó)際上又有人說(shuō)你在吹牛皮，我就得負(fù)點(diǎn)責(zé)任?！?/p>
這是FAST項(xiàng)目從安裝第一塊反射面板到即將完成的過(guò)程(拼版照片)。
左上為：FAST安裝第一塊反射面板(2015年8月2日攝);
右上為：FAST反射面板安裝近半(2015年12月16日攝);
左下為：FAST反射面板安裝近八成(2016年3月9日攝);
右下為：FAST反射面板安裝完成(2016年7月3日攝)。
2016年9月，已罹患肺癌并在手術(shù)中傷及聲帶的南仁東，不顧舟車勞頓，從北京飛赴貴州，在遠(yuǎn)處默默目睹經(jīng)歷了漫長(zhǎng)成長(zhǎng)歲月的“中國(guó)天眼”正式啟用。
在他的注視下，這項(xiàng)雄偉的工程從此凝望太空、永恒堅(jiān)守?；蛟S某天，中國(guó)人就能代表人類接收到外星文明發(fā)出的訊號(hào)……
如今，F(xiàn)AST碩果累累，南老也可瞑目。
“20多年的研究，我終于看見了你，而你卻再看不見我。”
(本文綜合自科技導(dǎo)報(bào)、央視新聞、果殼科學(xué)人、中國(guó)日?qǐng)?bào)網(wǎng)等)
