如果有一天地球要流浪,它就是宇宙中的灯塔

2020-03-13 08:15崔辰州
风流一代·经典文摘 2020年1期
关键词:脉冲星中子星射电

崔辰州

每次看关于FAST的短片,我的心情都难以平静。有三个原因:第一个原因是紧张,每位来到这里的讲者都有点紧张,我也是。

第二个原因是自豪,以国家天文台为首的团队已经把FAST中国天眼打造成了我们的大国利器,我作为国家天文台的一员,感觉真的很自豪。

第三个原因就是缅怀。2017年9月15日,基本上正好是两年前,我们的南仁东老师,也就是中国天眼的总设计师、总工程师离开了我们。他1994年提出了要建设中国的大射电望远镜的设想,经过了20多年的努力,把这个梦想变成了现实。南老师走了,他留给我们后人,留给我们这些晚辈同事们一笔宝贵财富,也留给了国家一个大国利器。

FAST真的很厉害,它是一个500米口径的射电望远镜,是现在全世界最大的单天线射电望远镜,因为它最大,意味着它也最灵敏。有一个笑话说,如果说这口“锅”装满了茅台酒——因为它就在贵州——全世界的人每人可以分上四瓶,按照现在的市值来讲,这值不少的钱。

FAST有很多技术创新。第一个创新就是它利用了贵州省喀斯特洼地这样一个天然的“锅”做台址,给我们建造FAST节省了大量的成本。

第二个就是它这个锅不是一个死的锅,而是活的锅。它创造性地利用主动反射面技术,让FAST能够在观测时实时地变形,取得非常好的观测效果。再有,在FAST建设过程中,我们取得了一系列工程和技术的创新。据我所知,在港珠澳大桥的建设过程中还应用了FAST研究的成果。

FAST在2016年初步建成,这两年来FAST的工程团队一直在试运行这个设备。我们知道,这样一个复杂的系统,需要很长时间调试才能达到最佳状态。但就是在调试过程中,它的观测威力已经凸显了出来。到目前为止,FAST已经发现了60多颗脉冲星。

大家可能不知道什么叫脉冲星,我给大家简单介绍一下。脉冲星是上个世纪60年代首次被发现的。英国天文学家Hewish和他的研究生Bell一起在检查射电望远镜观测信号的时候,发现了周期性出现的脉冲信号。

他们很激动,以为找到了传说中的“小绿人”。小绿人是什么?是一个科幻小说里面说到的火星人,或者说地外生命。结果让他们失望了,他们又发现了多次周期性出现的脉冲信号。后来搞懂了,原来他们发现了一种新的天体,叫作脉冲星。

脉冲星其实是一种中子星。我们知道天上有很多恒星,恒星之所以发光发热,是因为在它们的核心有一个巨大的核聚变反应堆,氢元素聚变成氦元素。当恒星这些燃料慢慢烧得差不多了,会爆炸开来,也就是说恒星会走向死亡。

不同质量的恒星死亡、爆炸时留下的痕迹,或者叫作归宿,是不一样的。小质量恒星爆炸后会变成一颗白矮星;中等质量恒星爆炸,这个过程叫作超新星的爆发,之后会留下一颗中子星;大质量的恒星爆炸,就会形成一个黑洞。

中子星是一个非常致密的天体。我们知道原子是由质子和电子组成,把原子的质子和电子压在一起,就会形成中子。很多很多的中子组成一个中子星。大部分星体都是由中子组成的,那是一个非常致密的天体。

大家想象一下,这好比是我们把一个半的太阳压缩到一个北京市的大小,这是一个何等的天体!难以想象。一个指甲头大小的地方,也就是1立方厘米,它可以相当于一千艘万吨巨轮。

有的中子星转起来,一个十几公里的星,每秒钟能转上千转。你可以想象,如果说只是一个木头球,或一个铁球,十几公里的球每秒钟转上千转,它可能早已经被它的离心力给瓦解了。中子星不会。这就给我们带来了一个极端的物理条件下的实验室。中子星有强引力,有强磁场。我们宇宙中有四种基本的力——引力、电磁力、强作用力和弱作用力。这个实验室在我们地球上是没有办法人为模拟出来的。

中子星不单可以为科学研究提供这样一个非常好的条件,还可以给社会、给我们人类带来很大的实用价值。这里我举两个例子,一个叫授时,一个叫导航。中子星的旋转周期可以从秒到毫秒,它可以每秒钟转几圈,也可以每秒转上千圈,关键是它转得非常稳定,几百年来、几千年来都不会变。它的精确程度可以超过原子钟,因此你可以把它当作一个表。

同时,它在宇宙中,在银河系中,距离我们有几十光年、几百光年、几千光年或者几万光年,可以说离我们非常遥远;它又在旋转,脉冲信号周期性地扫过地球。就像灯塔的光束会扫过船只一样,我们把脉冲星比作“宇宙中的灯塔”,它可以指引我们做宇宙航行。

到目前为止,天文学家们已经发现了2700多个脉冲星,FAST两年间就发现了60多颗。可以说,随着FAST进入到科学观测之后,我们会有更多的期待。

现在FAST就正在开展19波束多科学目标同时巡天的项目。

一个波束,大家可以理解成是一双眼睛。以往我们的望远镜基本上只有一个波束,或者说只有一双眼睛在看,而FAST可以说是19双眼睛同时在看,因此它巡天观测的效率大大提升了。FAST有望在有限的时间内发现上千颗脉冲星,数量可以超过我们过去几十年发现的成果。

脉冲星的信号从几万光年之外传到地球上,其间并不是坦途一片,或者说宇宙中并不是真空,有很多星际的尘埃,有很多的介质。电磁波也是一种粒子,这些粒子在穿越星际尘埃的时候会发生色散。高频一点的电磁波会快一点到达地球,低频的信号会稍稍慢一点,相当于把原来同时产生的信号在时间上来了一个错位。

但同时电磁波再到地球的时候,这些信号又受到了很多人为干扰,比如手机基站,我们的飞机、卫星,都会对这些射电信号形成干扰。因此,FAST或者射电望远镜最后得到的是一个被污染了的信号。

天文学家要去研究脉冲星,研究它的旋转周期等物理特征,我们就要复原这些信号,要还原这些信号的本来面目,就要把刚才受到的那些干扰去掉。同时,因为我们不知道信号在传过来的过程中到底经过了哪些过程,因此它的色散的量我们是不知道的,我们要猜,要揣测它的值,最终确定脉冲星旋转的周期是多少。

这个过程不是那么简单的。以FAST为例,FAST每月会产生300万需要猜测周期的候选体。以往我们的脉冲星搜寻基本上靠人工,但是现在随着FAST有了这么强大的观测能力,300万张图单靠人工是完全不可能了,因此我们就寄希望于现代的信息技术,包括现在非常时髦的AI人工智能。

世界上还有更多的利器。这些望远镜,这些重大的观测设施,每天都在产生海量的天文数据。天文数据是科学研究的宝贵财富,因此要建立一个强大的数据中心。

天文学是观测的科学。国家天文科学数据中心是我们国家公布的第一批国家级的科学数据中心。我们可以说国家数据中心就像是一个数据中臺,它把数据全都聚集在了一起。我们要进一步发挥这些数据的价值,给天文学家用,给公众用,向社会开放,那我们就需要一个更好的业务中台,这就是虚拟天文台。

虚拟天文台就是要把先进的信息技术应用到天文学,打造一个网络化的科学研究、科普教育平台;把这些数据开放出去,以全世界的观测数据打造成一个数字宇宙。

今天的主题是脉冲星。“不识庐山真面目,只缘身在此山中”,我们存在于银河系中,有很长一段时间,我们都不知道银河系是什么样子,我们在银河系里面处在什么方位。经过了很长时间的努力,我们终于搞清楚了。它是一个旋涡星系,太阳系带着地球、火星等小兄弟,一起在第二个旋臂上边缘的地方游荡。这就是我们在银河系中的位置。

脉冲星是我们宇宙中的灯塔,人类要发展,文明要持续。也许以后我们会流浪,我们流浪到太空,怎么去识别方向?脉冲星可以为我们导航。但如果我们迷失了方向,怎么办?脉冲星还可以帮助我们找到回家的路。

(摘自《看天下》2019年第28期)

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