格致论道第77期

嘉宾：李菂 中国科学院国家天文台研究员

FAST首席科学家

联合主办：中国科学院计算机网络信息中心、中国科学院科学传播局

▲FAST中国贵州天眼

中国天眼(500米口径球面射电望远镜,FAST)位于贵州绵延的群山内，非常漂亮。天眼这一工程在中国具有历史性意义，它见证了中国经济的发展与科学的追赶和进步。我们是这个工程的受益者、参与者，也很荣幸是它的建设者。作为天文学家，我非常幸运。如今中国在无线电波段拥有了世界上最先进的设备——“天眼”。

天眼其实是一个直径500米的金属面板。如果我们往里面灌满水，那么全世界的人至少都能分到两瓶。但是它装不了这么多水，因为它有很多0.5厘米左右的小孔洞，这占到了它50%的面积，所以水是可以漏下去的。一辆卡车从这个巨大的金属结构底下开过去，光可以从孔洞中漏出来。由于无线电的波长非常长，我们观测的波长是20厘米，远远大于孔洞，所以天眼依然是一个非常高效的反射面。

2020年初，天眼才通过国家验收，正式成为国家大科学装置。2021年，它第一次向国际开放。在不到两年的时间里，利用天眼获取的数据，催生了超过100篇国际论文，包括5篇《自然》、1篇《科学》、1篇《自然·天文》等，所以它是一个非常高效、前沿的科学设备。

▲上：美国第一颗人造卫星（1958.1.13）下：JPL与钱学森

巨大射电望远镜阿雷西博是如何诞生的

天眼与位于波多黎各岛的上一代巨大射电望远镜阿雷西博非常相似，后者也是处在喀斯特岩溶地形中的设备。阿雷西博是1963年建成的，直到当地时间2020年12月1日倒塌之前，它完成了很多载入教科书、载入史册的工作。它测量了水星的自转，改变了天文学和物理学150多年以来的错误概念；它发现了第一例太阳系以外的行星；还发现了第一例两个中子星相互绕转的案例，由此证明了引力波的存在，并于1993年获得了诺贝尔物理学奖。

这是一个所有天文学者都非常熟悉，且被很多人使用过的先进设备。它是在1958年美国康奈尔大学电子系的一次学术报告中，由威廉·戈登教授提出来的。

戈登教授研究的是电离层的雷达回波。这个信号非常微弱，所以他提出需要300米口径的望远镜才能探测到。戈登教授的同行检查完这个提案后指出：“你的研究实际上只需要用30米的望远镜就可以做到。”后来，戈登教授正式向专门资助大型而又超前的、带有风险性项目的基金会——美国先进研究项目委员会（ARPA）提出了自己的项目。

戈登教授是一个非常诚恳、踏实的人，他把这两种有争议的概念都呈现了出来，而基金会则选择了前一种概念，即支持建超大型望远镜。这种情况就类似于当你要创业时对投资人说：你给我一个亿，我能实现一个小目标。而投资人却说：我给你十个亿，你去做那个宏大的事情吧。每次回想起这段历史，我都非常震惊。

为了更好地理解这件事情，我们需要回到上世纪50年代末美苏冷战的历史大环境内。在苏联成功发射了人类历史上第一颗人造卫星后，美国一直在追赶。1957年，美国海军进行了首次卫星实验，该卫星直接在发射台上爆炸。在电视转播后，当天的股票市场立刻就崩溃了。

同时，美国陆军与加州理工学院有长期的合作，他们成功发射了美国第一颗人造卫星，跟上了空间竞赛的步伐。加州理工学院这个喷气推进实验室是钱学森先生创立的，他后来也成为中国的导弹之父。

在卫星发射成功的第二年，美国才成立国家航天局。它产生的直接效果是，原来管理空间项目的美国先进研究项目委员会，决定把它的经费用来资助在地面上的、带有前瞻性的，甚至是有一点点疯狂的大型项目。它资助的第一个项目就是阿雷西博望远镜。

在那个历史条件下，大科学实际上反映了冷战长期战略的一部分。当时有一个很著名的文档——乔治·凯南在其长电报中指出，如果要进行意识形态对抗，开展经济、科技、航天的全面竞赛，就“必须规划和展现一个远比过去更为正面和有建设性的世界蓝图”。大科学装置也正是这种世界蓝图的一部分。

▲南仁东先生与邱育海先生

天眼的造价共11.5亿，是个很便宜的大科学工程

1996年，即阿雷西博望远镜获得诺贝尔奖后的第三年，国家天文台老一辈的射电天文学家南仁东先生和邱育海先生第一次前往阿雷西博观测站进行现场考察。

他们在阿雷西博这个概念的基础上，结合当时可预期的现代技术发展前景以及中国在工程方面的长处和短处，形成了“天眼”这个概念，并于2007年底由发改委批复立项。

我从2008年开始参与编制项目建议书，并且有幸在2012年全职回到科学院参与建设这个项目。2015年南仁东先生不幸确诊了肺癌，我也因此做了三年工程的工作。

工程师的工作，和我日常的天文测学者的工作是非常不同的，需要搬砖、种树、熔接光纤……我在工程现场待的时间比较短，而我们主要的工程团队在六年多的时间里都住在板房，里面没有室内热水和独立的卫生间。即便是在这种情况下，大家也保持着非常好的精神状态。

经过艰苦卓绝的努力，我们在2016年9月19日，即在竣工典礼的前几天获得“第一缕光”，或者叫“初光”（First Light）。这个工程背后有很多有意思的事，我们也在工作的过程中慢慢学习。比如工程现场有很多马蜂，我们都被蜇过不止一次，所以到了2016年，我在防护方面已经有了不少心得。有一次我没有被马蜂蜇，却撞到了一个装得比较矮的灯。

天眼是几代人努力的结果。天眼与阿雷西博望远镜相比的进步之处或者说不同之处是，它不仅更大，而且不只有一面。它是把一个直径500米的球冠的一部分，分割成4500面反射单元；通过实时调节这些反射单元，把它们从球冠的一部分变成一个抛物面。

我们在中学物理里学过抛物面。平行光照进来的时候可以实现点聚焦，同时，因为你要看天空中的不同方向，为了点聚焦，你这个焦点就必须可以飞。

FAST望远镜焦点处安放的是馈源舱，它重30吨，由六根非常细的索进行控制，索的截面直径大概是4.6厘米。站在几百米外看的话，你会发现它们是细若游丝的。

天眼是一个给人以深刻印象的钢架工程。但如果你的眼睛能够透视这个金属板和土地，你会看到底下的几十万根光纤，这是一个现代化、高科技的科学装置。天眼的造价总共是11.5亿，如果要在北京修地铁的话，这个价格仅能勉强修两个地铁站，所以我经常说这是个很便宜的大科学工程。

发表的四个快速射电暴都来自宇宙的青少年时期

在无线电的射频波段，FAST是现在最大的、最灵敏的设备。它的工作频率覆盖70兆赫兹到3000兆赫兹。这意味着在如调频收音机、手机、蓝牙、WiFi等人类利用得比较多的频段中，我们有了一个新的、更灵敏的设备。

正如人们发现一个新大陆后，做的第一件事就是对物种进行普查，天文学家拥有新设备后要做的事情也是完全一样的，我们称其为“巡天”。

巡天的主要对象有两类，第一类是脉冲星。脉冲星是一个非常短促、强大的脉冲，它来自具有极高磁场和密度的中子星，在天空中提供了一个极端物理条件下的实验室。它的发现以及它对引力波的证明两次获得了诺贝尔物理学奖。

第二类叫中性氢21厘米谱线，它的波长是21厘米，实际上反映的就是失踪的原子氢气。而宇宙里物质的主要组成成分就是原子氢气，它们加起来的质量远超过你能看到的恒星以及所有星系的总和。

我们基于FAST的灵敏度以及一系列原创的技术，实现了世界上第一个可以同时观测原子氢气与脉冲星，并且能同时搜索地外文明的巡天模式。这个项目的名字是“多科学目标同时巡天”，简称“CRAFTS”。

到目前为止，这个项目已经发现超过150颗新的脉冲星。其中包括FAST发现的第一例双中子星系统，它与1993年获得诺贝尔奖的那个天体系统类似。

我在前面提到过，FAST催生了100多篇文章，在这些文章内，最活跃的是从脉冲星中衍生出来的新领域——快速射电暴（FRB）。

快速射电暴是什么呢？它是一个不重复的、毫秒量级的脉冲，而且非常亮。它们来自宇宙深处，爆发在较弱时，千分之一秒内就相当于太阳一小时的能量，在较强时则相当于太阳好几年的能量。因为它离地球比较远，所以到达地球时，它看似是一个比较弱的无线电信号，但实际上它在爆发的时候是非常亮的。

现在FAST发现的快速射电暴不多，我们发表了四个。它们都来自宇宙的青少年时期，即来自宇宙的早期。相对而言，它们非常暗和弱。这四个快速射电暴覆盖了一个比较奇特的参数空间，所以它们能够提供物理上的限制。

快速射电暴这个领域是很年轻的。2007年，人类知道了银河系外存在这种神秘的爆发。2012年11月2日，快速射电暴源121102第一次出现在人类的观测数据里。2017年，它才被定位下来。在这之后，我们就得以观测它周围的恒星和这个星系的红移。基于这次发现，科学家确定了快速射电暴来自宇宙深处。这是快速射电暴的理解机制上的里程碑事件，这个快速射电暴源以及这次定位被认为是自LIGO引力波探测之后天文学最重大的发现。但是，我们现在依然不能理解它的天文起源和物理机制。

在我们设计、建设FAST望远镜的时候，这个领域都还没有出现。但是我们在建设的过程中，就开始考虑赋予它做快速射电暴探测的能力了。非常幸运的是，在2019年8月底，我们捕捉到了同一个源121102的一次非常活跃的爆发。

我们在60天之内获取了1652个脉冲，它跨越了三个数量级，也就是它的亮度和能量的范围上下跨越了几千倍。这个结果是2021年10月中旬发表的。我们获取的脉冲数量超过了过去14年所发表的总和，这就给对这个领域进行统计性物理研究的学者提供了机会。

▲探测快速射电暴的FAST（仿王希孟《千里江山图》）

我们仿照900多年以前宋朝的《千里江山图》的风格画了一张图。这里的河流表示的是脉冲，背景的山峰是真实的数据图，它们代表不同的时间快速射电暴脉冲爆发的数量和能量。

▲快速射电暴：来自宇宙深处的神秘爆发

这次观测在天文学上的意义主要是，我们第一次比较完整地看到这个神秘爆发现象的能量表象。快速射电暴的信号本身是很像脉冲星的，但是脉冲星是一个致密的天体，它有严格的周期性，就像一个钟一样会比较稳定地转动。

对于快速射电暴这样密集的脉冲，我们找不到它的周期性。所以FAST的观测使我们能够在很大程度上排除这种重要的、活跃的重复暴来自一个孤立的磁星或者黑洞的可能，但我们距离理解它具体是什么还有相当的距离，这是一个非常活跃的前沿领域。

▲CRAFTS巡天发现的脉冲星

凭借天眼获得了第一个成功的HINSA的塞曼效应测量

除了脉冲星和快速射电暴之外，另外一个更加贴近基础天文学，而且也是FAST主要科学目标之一的就是原子氢气。

现在这一领域有一个非常重要的进展，即用原子氢气谱线的探测办法去探测星际的磁场。这种探测方法依赖的原理是塞曼效应，这是目前唯一一个在星际尺度上能直接探测磁场强度的原理。

我们知道电磁学的起源是法拉第的实验，其中最核心的实验就是让线圈在与磁铁相互运动的时候产生了感应电流。现在回过头想想，这简直是一个奇迹般的实验，因为线圈和磁铁是没有接触的，这就证明了法拉第所绘制的那些想象中的磁力线是磁场的表现形式。目前人类的技术还不能把一个线圈送到几百光年之外去探测星际尺度的磁场，所以我们就需要依靠塞曼效应。

对这个谱线的发射，我们有不同的观测办法。2003年，我和我的博士生导师Goldsmith教授就利用美国的阿雷西博望远镜发展了一个相对新颖的方法——氢气的窄线自吸收（HINSA）。

▲中性氢窄线自吸收HINSA

从2003年至今，在将近20年的时间里，我们和其他同行都在阿雷西博望远镜、绿岸望远镜、加拿大的望远镜等大型望远镜开展了HINSA的塞曼效应的尝试，但均告失败。

直到2021年，凭借“天眼”无与伦比的灵敏度和它在光路干净上的一些优势，我们获得了第一个成功的HINSA的塞曼效应测量。

我们观测到，在金牛座一个相对临近的致密分子云中间，有差不多4微高斯的星际磁场。这意味着它的大小是地球磁场的大概十万分之一，是非常微弱的。这样微弱的磁场不能抵抗云、分子、尘埃由于重力的向内塌缩，通过重力的压缩产生核反应，很快就会形成下一代太阳，这就为解决恒星形成三大经典问题之一的磁通量问题奠定了基础。

这是我们通过原子氢和分子氢相互碰撞后冷却，然后产生HINSA塞曼效应的特征完成的，这个成果最终发表在2022年1月《自然》杂志的封面上。我们仿照1600多年前顾恺之的《洛神赋画卷》，把真实的星际分子云的数据投放到了艺术展现的星际磁场与天眼上。

天眼给予我们洞见宛若游龙般星际磁场的能力与机遇，使我们看到了浸润在这个协睦磁场波纹中的分子云，它必将诞生新星。宇宙中的剧烈变化，都会产生微弱的回响。

2012年2月14日，我到天文台工作后主持的第一个会议，请来了南仁东老师作指导。

我在FAST望远镜提出、建设、调试、使用的整个过程中都有很多感触。阿雷西博望远镜是上个世纪中后期美苏冷战的直接产物，它代表了二十世纪无线电在太空探测方面的科学和工程的巅峰与奇迹。而天眼这一工程在中国具有历史性意义，它见证了中国经济的发展与科学的追赶和进步。我们是这个工程的受益者、参与者，也很荣幸是它的建设者。

最后给大家分享南仁东老师经常跟我们说的一句话：天眼是建给下一代科学家的，它代表了中国射电天文从追赶到超越的一次尝试。

而这个尝试才刚刚开始。

文/北京青年报记者 李喆
编辑/王静