來源：北青網

(相關資料圖)

▲FAST 中國貴州 天眼

▲上：美國第一顆人造衛星（1958.1.13） 下：JPL與錢學森

▲南仁東先生與邱育海先生

▲探測快速射電暴的FAST （仿王希孟《千里江山圖》）

▲CRAFTS巡天發現的脈沖星

▲中性氫窄線自吸收 HINSA

▲快速射電暴：來自宇宙深處的神秘爆發

格致論道第77期

嘉 賓：李菂 中國科學院國家天文臺研究員

FAST首席科學家

聯合主辦：中國科學院計算機網絡信息中心、中國科學院科學傳播局

中國天眼(500米口徑球面射電望遠鏡,FAST)位于貴州綿延的群山內，非常漂亮。天眼這一工程在中國具有歷史性意義，它見證了中國經濟的發展與科學的追趕和進步。我們是這個工程的受益者、參與者，也很榮幸是它的建設者。作為天文學家，我非常幸運。如今中國在無線電波段擁有了世界上最先進的設備——“天眼”。

天眼其實是一個直徑500米的金屬面板。如果我們往里面灌滿水，那么全世界的人至少都能分到兩瓶。但是它裝不了這么多水，因為它有很多0.5厘米左右的小孔洞，這占到了它50%的面積，所以水是可以漏下去的。一輛卡車從這個巨大的金屬結構底下開過去，光可以從孔洞中漏出來。由于無線電的波長非常長，我們觀測的波長是20厘米，遠遠大于孔洞，所以天眼依然是一個非常高效的反射面。

2020年初，天眼才通過國家驗收，正式成為國家大科學裝置。2021年，它第一次向國際開放。在不到兩年的時間里，利用天眼獲取的數據，催生了超過100篇國際論文，包括5篇《自然》、1篇《科學》、1篇《自然·天文》等，所以它是一個非常高效、前沿的科學設備。

巨大射電望遠鏡阿雷西博是如何誕生的

天眼與位于波多黎各島的上一代巨大射電望遠鏡阿雷西博非常相似，后者也是處在喀斯特巖溶地形中的設備。阿雷西博是1963年建成的，直到當地時間2020年12月1日倒塌之前，它完成了很多載入教科書、載入史冊的工作。它測量了水星的自轉，改變了天文學和物理學150多年以來的錯誤概念；它發現了第一例太陽系以外的行星；還發現了第一例兩個中子星相互繞轉的案例，由此證明了引力波的存在，并于1993年獲得了諾貝爾物理學獎。

這是一個所有天文學者都非常熟悉，且被很多人使用過的先進設備。它是在1958年美國康奈爾大學電子系的一次學術報告中，由威廉·戈登教授提出來的。

戈登教授研究的是電離層的雷達回波。這個信號非常微弱，所以他提出需要300米口徑的望遠鏡才能探測到。戈登教授的同行檢查完這個提案后指出：“你的研究實際上只需要用30米的望遠鏡就可以做到。”后來，戈登教授正式向專門資助大型而又超前的、帶有風險性項目的基金會——美國先進研究項目委員會（ARPA）提出了自己的項目。

戈登教授是一個非常誠懇、踏實的人，他把這兩種有爭議的概念都呈現了出來，而基金會則選擇了前一種概念，即支持建超大型望遠鏡。這種情況就類似于當你要創業時對投資人說：你給我一個億，我能實現一個小目標。而投資人卻說：我給你十個億，你去做那個宏大的事情吧。每次回想起這段歷史，我都非常震驚。

為了更好地理解這件事情，我們需要回到上世紀50年代末美蘇冷戰的歷史大環境內。在蘇聯成功發射了人類歷史上第一顆人造衛星后，美國一直在追趕。1957年，美國海軍進行了首次衛星實驗，該衛星直接在發射臺上爆炸。在電視轉播后，當天的股票市場立刻就崩潰了。

同時，美國陸軍與加州理工學院有長期的合作，他們成功發射了美國第一顆人造衛星，跟上了空間競賽的步伐。加州理工學院這個噴氣推進實驗室是錢學森先生創立的，他后來也成為中國的導彈之父。

在衛星發射成功的第二年，美國才成立國家航天局。它產生的直接效果是，原來管理空間項目的美國先進研究項目委員會，決定把它的經費用來資助在地面上的、帶有前瞻性的，甚至是有一點點瘋狂的大型項目。它資助的第一個項目就是阿雷西博望遠鏡。

在那個歷史條件下，大科學實際上反映了冷戰長期戰略的一部分。當時有一個很著名的文檔——喬治·凱南在其長電報中指出，如果要進行意識形態對抗，開展經濟、科技、航天的全面競賽，就“必須規劃和展現一個遠比過去更為正面和有建設性的世界藍圖”。大科學裝置也正是這種世界藍圖的一部分。

天眼的造價共11.5億，是個很便宜的大科學工程

1996年，即阿雷西博望遠鏡獲得諾貝爾獎后的第三年，國家天文臺老一輩的射電天文學家南仁東先生和邱育海先生第一次前往阿雷西博觀測站進行現場考察。

他們在阿雷西博這個概念的基礎上，結合當時可預期的現代技術發展前景以及中國在工程方面的長處和短處，形成了“天眼”這個概念，并于2007年底由發改委批復立項。

我從2008年開始參與編制項目建議書，并且有幸在2012年全職回到科學院參與建設這個項目。2015年南仁東先生不幸確診了肺癌，我也因此做了三年工程的工作。

工程師的工作，和我日常的天文測學者的工作是非常不同的，需要搬磚、種樹、熔接光纖……我在工程現場待的時間比較短，而我們主要的工程團隊在六年多的時間里都住在板房，里面沒有室內熱水和獨立的衛生間。即便是在這種情況下，大家也保持著非常好的精神狀態。

經過艱苦卓絕的努力，我們在2016年9月19日，即在竣工典禮的前幾天獲得“第一縷光”，或者叫“初光”（First Light）。這個工程背后有很多有意思的事，我們也在工作的過程中慢慢學習。比如工程現場有很多馬蜂，我們都被蜇過不止一次，所以到了2016年，我在防護方面已經有了不少心得。有一次我沒有被馬蜂蜇，卻撞到了一個裝得比較矮的燈。

天眼是幾代人努力的結果。天眼與阿雷西博望遠鏡相比的進步之處或者說不同之處是，它不僅更大，而且不只有一面。它是把一個直徑500米的球冠的一部分，分割成4500面反射單元；通過實時調節這些反射單元，把它們從球冠的一部分變成一個拋物面。

我們在中學物理里學過拋物面。平行光照進來的時候可以實現點聚焦，同時，因為你要看天空中的不同方向，為了點聚焦，你這個焦點就必須可以飛。

FAST望遠鏡焦點處安放的是饋源艙，它重30噸，由六根非常細的索進行控制，索的截面直徑大概是4.6厘米。站在幾百米外看的話，你會發現它們是細若游絲的。

天眼是一個給人以深刻印象的鋼架工程。但如果你的眼睛能夠透視這個金屬板和土地，你會看到底下的幾十萬根光纖，這是一個現代化、高科技的科學裝置。天眼的造價總共是11.5億，如果要在北京修地鐵的話，這個價格僅能勉強修兩個地鐵站，所以我經常說這是個很便宜的大科學工程。

發表的四個快速射電暴都來自宇宙的青少年時期

在無線電的射頻波段，FAST是現在最大的、最靈敏的設備。它的工作頻率覆蓋70兆赫茲到3000兆赫茲。這意味著在如調頻收音機、手機、藍牙、WiFi等人類利用得比較多的頻段中，我們有了一個新的、更靈敏的設備。

正如人們發現一個新大陸后，做的第一件事就是對物種進行普查，天文學家擁有新設備后要做的事情也是完全一樣的，我們稱其為“巡天”。

巡天的主要對象有兩類，第一類是脈沖星。脈沖星是一個非常短促、強大的脈沖，它來自具有極高磁場和密度的中子星，在天空中提供了一個極端物理條件下的實驗室。它的發現以及它對引力波的證明兩次獲得了諾貝爾物理學獎。

第二類叫中性氫21厘米譜線，它的波長是21厘米，實際上反映的就是失蹤的原子氫氣。而宇宙里物質的主要組成成分就是原子氫氣，它們加起來的質量遠超過你能看到的恒星以及所有星系的總和。

我們基于FAST的靈敏度以及一系列原創的技術，實現了世界上第一個可以同時觀測原子氫氣與脈沖星，并且能同時搜索地外文明的巡天模式。這個項目的名字是“多科學目標同時巡天”，簡稱“CRAFTS”。

到目前為止，這個項目已經發現超過150顆新的脈沖星。其中包括FAST發現的第一例雙中子星系統，它與1993年獲得諾貝爾獎的那個天體系統類似。

我在前面提到過，FAST催生了100多篇文章，在這些文章內，最活躍的是從脈沖星中衍生出來的新領域——快速射電暴（FRB）。

快速射電暴是什么呢？它是一個不重復的、毫秒量級的脈沖，而且非常亮。它們來自宇宙深處，爆發在較弱時，千分之一秒內就相當于太陽一小時的能量，在較強時則相當于太陽好幾年的能量。因為它離地球比較遠，所以到達地球時，它看似是一個比較弱的無線電信號，但實際上它在爆發的時候是非常亮的。

現在FAST發現的快速射電暴不多，我們發表了四個。它們都來自宇宙的青少年時期，即來自宇宙的早期。相對而言，它們非常暗和弱。這四個快速射電暴覆蓋了一個比較奇特的參數空間，所以它們能夠提供物理上的限制。

快速射電暴這個領域是很年輕的。2007年，人類知道了銀河系外存在這種神秘的爆發。2012年11月2日，快速射電暴源121102第一次出現在人類的觀測數據里。2017年，它才被定位下來。在這之后，我們就得以觀測它周圍的恒星和這個星系的紅移。基于這次發現，科學家確定了快速射電暴來自宇宙深處。這是快速射電暴的理解機制上的里程碑事件，這個快速射電暴源以及這次定位被認為是自LIGO引力波探測之后天文學最重大的發現。但是，我們現在依然不能理解它的天文起源和物理機制。

在我們設計、建設FAST望遠鏡的時候，這個領域都還沒有出現。但是我們在建設的過程中，就開始考慮賦予它做快速射電暴探測的能力了。非常幸運的是，在2019年8月底，我們捕捉到了同一個源121102的一次非常活躍的爆發。

我們在60天之內獲取了1652個脈沖，它跨越了三個數量級，也就是它的亮度和能量的范圍上下跨越了幾千倍。這個結果是2021年10月中旬發表的。我們獲取的脈沖數量超過了過去14年所發表的總和，這就給對這個領域進行統計性物理研究的學者提供了機會。

我們仿照900多年以前宋朝的《千里江山圖》的風格畫了一張圖。這里的河流表示的是脈沖，背景的山峰是真實的數據圖，它們代表不同的時間快速射電暴脈沖爆發的數量和能量。

這次觀測在天文學上的意義主要是，我們第一次比較完整地看到這個神秘爆發現象的能量表象。快速射電暴的信號本身是很像脈沖星的，但是脈沖星是一個致密的天體，它有嚴格的周期性，就像一個鐘一樣會比較穩定地轉動。

對于快速射電暴這樣密集的脈沖，我們找不到它的周期性。所以FAST的觀測使我們能夠在很大程度上排除這種重要的、活躍的重復暴來自一個孤立的磁星或者黑洞的可能，但我們距離理解它具體是什么還有相當的距離，這是一個非常活躍的前沿領域。

憑借天眼獲得了第一個成功的HINSA的塞曼效應測量

除了脈沖星和快速射電暴之外，另外一個更加貼近基礎天文學，而且也是FAST主要科學目標之一的就是原子氫氣。

現在這一領域有一個非常重要的進展，即用原子氫氣譜線的探測辦法去探測星際的磁場。這種探測方法依賴的原理是塞曼效應，這是目前唯一一個在星際尺度上能直接探測磁場強度的原理。

我們知道電磁學的起源是法拉第的實驗，其中最核心的實驗就是讓線圈在與磁鐵相互運動的時候產生了感應電流。現在回過頭想想，這簡直是一個奇跡般的實驗，因為線圈和磁鐵是沒有接觸的，這就證明了法拉第所繪制的那些想象中的磁力線是磁場的表現形式。目前人類的技術還不能把一個線圈送到幾百光年之外去探測星際尺度的磁場，所以我們就需要依靠塞曼效應。

對這個譜線的發射，我們有不同的觀測辦法。2003年，我和我的博士生導師Goldsmith教授就利用美國的阿雷西博望遠鏡發展了一個相對新穎的方法——氫氣的窄線自吸收（HINSA）。

從2003年至今，在將近20年的時間里，我們和其他同行都在阿雷西博望遠鏡、綠岸望遠鏡、加拿大的望遠鏡等大型望遠鏡開展了HINSA的塞曼效應的嘗試，但均告失敗。

直到2021年，憑借“天眼”無與倫比的靈敏度和它在光路干凈上的一些優勢，我們獲得了第一個成功的HINSA的塞曼效應測量。

我們觀測到，在金牛座一個相對臨近的致密分子云中間，有差不多4微高斯的星際磁場。這意味著它的大小是地球磁場的大概十萬分之一，是非常微弱的。這樣微弱的磁場不能抵抗云、分子、塵埃由于重力的向內塌縮，通過重力的壓縮產生核反應，很快就會形成下一代太陽，這就為解決恒星形成三大經典問題之一的磁通量問題奠定了基礎。

這是我們通過原子氫和分子氫相互碰撞后冷卻，然后產生HINSA塞曼效應的特征完成的，這個成果最終發表在2022年1月《自然》雜志的封面上。我們仿照1600多年前顧愷之的《洛神賦畫卷》，把真實的星際分子云的數據投放到了藝術展現的星際磁場與天眼上。

天眼給予我們洞見宛若游龍般星際磁場的能力與機遇，使我們看到了浸潤在這個協睦磁場波紋中的分子云，它必將誕生新星。宇宙中的劇烈變化，都會產生微弱的回響。

2012年2月14日，我到天文臺工作后主持的第一個會議，請來了南仁東老師作指導。

我在FAST望遠鏡提出、建設、調試、使用的整個過程中都有很多感觸。阿雷西博望遠鏡是上個世紀中后期美蘇冷戰的直接產物，它代表了二十世紀無線電在太空探測方面的科學和工程的巔峰與奇跡。而天眼這一工程在中國具有歷史性意義，它見證了中國經濟的發展與科學的追趕和進步。我們是這個工程的受益者、參與者，也很榮幸是它的建設者。

最后給大家分享南仁東老師經常跟我們說的一句話：天眼是建給下一代科學家的，它代表了中國射電天文從追趕到超越的一次嘗試。

而這個嘗試才剛剛開始。

標簽： 塞曼效應 是一個非常