陳冰

2016年6月27日拍攝的“中國天眼”（檢修期間拍攝）。

2020年12月1日，位于美國海外屬地波多黎各的美國阿雷西博望遠鏡因結構失控而垮塌。

曾經，地球有“兩只眼”看向外太空，一只是位于美國的阿雷西博射電望遠鏡，水星自轉、雙中子星等一系列發(fā)現在天文探測史上留下了濃墨重彩的一筆。阿雷西博也在一定程度上給我們提供了一個新的宇宙觀和世界觀。另一只就是位于中國貴州的“中國天眼”（FAST），首顆脈沖星的發(fā)現帶來了宇宙深處的聲音，“多科學目標漂移掃描巡天（CRAFTS）”發(fā)現新高色散快速射電暴……

不幸的是，對射電天文學的重要發(fā)現以及行星和太陽系的研究貢獻巨大的阿雷西博射電望遠鏡，于2020年12月1日突然坍塌，悲劇性地離開了歷史舞臺?！笆グ⒗孜鞑?，就失去了一天24小時監(jiān)控微弱無線電信號的能力，現在我們只有一只眼睛了。”世界科研人員看向地外天體的眼睛“瞎”了一只，全球天文學家不約而同地都將目光轉向了中國天眼FAST。

3月31日起，中國正式向國際科學家開放FAST。從3月31日0時起，向全球天文學家征集觀測申請。7月20日，公布評審結果，8月1日起，開始安排FAST觀測時間。預計分配給國外科學家的觀測時間約占10%。中國“天眼”將成為世界“巨眼”。

中國天眼，厲害在哪？

FAST英文全稱為“Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope”，漢語即“500米口徑球面射電望遠鏡”。歷時5年半工期，總造價高達11.5億元人民幣。

500米口徑，是它最引以為豪的地方。因為理論上講，所有天文望遠鏡口徑越大越好，就跟接收衛(wèi)星信號的天線鍋一個樣，越大越牛！

擁有500米口徑的FAST，坐擁多個世界之最——最大單口徑望遠鏡、最大射電望遠鏡、最具威力的單天線射電望遠鏡。它有4500塊主動反射面，通過2225個連接節(jié)點連接。有30噸重的懸吊精控饋源艙，有6座超過百米的支撐塔和超過10萬根光纖……

這是什么概念呢？它的接收面積相當于30個足球場那么大！它的觀測能力是號稱“地面最大機器”——德國波恩100米望遠鏡的10倍，是號稱“20世紀全球十大工程之首”——美國阿雷西博300米望遠鏡的2.25倍。所以，可以毫不夸張地說：FAST未來二三十年都會保持世界第一，至少是世界一流地位的。

能刺穿“光年之外”，刷新宇宙深空的天圖;能巡視宇宙大爆炸“蹤跡”，洞悉宇宙“前世”……“中國天眼”的建成、運行，不僅開啟了中國人“睜眼看宇宙”的新征程，也使得人類向宇宙未知地帶探索的眼力更加深邃、眼界更加開闊。

與美國的“鳳凰”計劃相比，“中國天眼”可將類太陽星巡視目標擴大至少5倍。

據中科院國家天文臺研究員、“中國天眼”首席科學家李菂介紹，“天眼”在很多領域具備超強“發(fā)現力”：發(fā)現氣體星系的數量有望在過去的基礎上提高10倍，發(fā)現的脈沖星數量有望翻倍，有望發(fā)現新的星際分子……這使它可以驗證很多科學規(guī)律，在引力理論，星系演化，恒星、行星乃至物質和生命的起源等方面，都具備突破的潛力。

從2017年10月，首次發(fā)現2顆新脈沖星，到試運行結束，公布發(fā)現102顆脈沖星，到一躍突破300顆……被譽為“中國天眼”的FAST，探測成績的進步可謂一日千里。其發(fā)現的脈沖星數量，遠超同期歐美多個脈沖星搜索團隊發(fā)現數量的總和。

遙想當年，1967年，人類發(fā)現了第一顆脈沖星。中國奮起直追，50年后，才用自己的射電望遠鏡FAST發(fā)現了第一顆新脈沖星。

盡管起步晚，卻手擁FAST這個大國重器，后來居上。作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡，FAST靈敏度最高，穩(wěn)居世界射電望遠鏡之首，可有效探索的空間范圍體積，遠超此前最先進的射電望遠鏡。

截至FAST正式運行一周年之際，基于FAST數據發(fā)表的高水平論文已達到40余篇，快速射電暴成果入選《自然》期刊公布的2020年十大科學發(fā)現。

目前，“中國天眼”已經在直徑約10萬光年的銀河系內發(fā)現一批脈沖星，又在遙遠的河外星系探測到快速射電暴和中性氫發(fā)射線。

全國政協(xié)委員、中國科學院院士、FAST科學委員會主任武向平接受采訪時表示，FAST綜合性能全球領先，極大拓展了人類觀察宇宙視野的極限，可以重現宇宙不同時期的圖像，探測信號最弱的脈沖星，不斷擴展觀測樣本的數量。期待未來5年這一數字能達到1000顆，甚至能找到銀河系外的第一顆脈沖星。

武向平說：“FAST脈沖星計時精度領先國際水平4倍以上，有望在納赫茲引力波這一全世界備受關注的前沿科學探測方面取得重大突破。”

探尋地外文明

宇宙無邊無際，目之所及盡是無垠虛空。在這個廣袤的宇宙空間里，我們的地球連一粒沙都不如。與太陽相比，地球的體積只有太陽的130萬分之一，在太陽的光輝下，地球幾乎微不可見。

實際上，我們生活的地球，光周長就有4萬公里，約為950個馬拉松的總長;它與太陽相距1.5億公里，相當于地球周長的3750倍（通常被稱為一個天文單位）。對于我們的日常生活而言，這些距離全都是大得不得了的天文數字，完全超出了我們的感知范圍。但對于整個宇宙而言，它卻渺小到根本不值一提。

截至FAST正式運行一周年之際，基于FAST數據發(fā)表的高水平論文已達到40余篇，快速射電暴成果入選《自然》期刊公布的2020年十大科學發(fā)現。

旅行者1號在距離地球64億公里外最后一次回望地球時，拍下了一張著名的太陽系全家福照片——暗淡藍點。

為了描述宇宙的尺度，科學家們創(chuàng)造了一個新的概念叫做光年。光年是光走一年的距離，它大約是94600億公里，相當于63000多個天文單位，這是什么概念呢？目前人類造出的速度最快的飛行器就是我們熟悉的旅行者1號，它當前的速度已經超過了每秒17公里相當于音速的50倍，這意味著旅行者1號要想飛完一光年的路程，需要花上17000多年。要知道真正有文字記載的人類文明史，也只有此數字的一個零頭。

1990年2月14日，當旅行者1號在距離地球64億公里外最后一次回望地球時，拍下了一張著名的太陽系全家福照片——暗淡藍點。沒錯，地球僅僅只是一個暗淡的藍點。在地球以外，漆黑的空間里幾乎沒有任何物質的存在，我們就那么孤零零地漂浮在那里——一顆藍白相間的球星彈珠，如一粒微小的塵埃，懸浮在茫茫太空之中。

科學家還說了，宇宙中最大的奇跡其實就是我們人類本身的存在。因為人類能夠存在，至今都是一件可能性小得匪夷所思的事情。

宇宙創(chuàng)生的那一刻，物質原本是非常均勻地分布在宇宙中，然后宇宙中發(fā)生了一個物理過程——量子漲落，它讓物質的分布出現了一定的不均勻性。有的地方（紅色區(qū)域，溫度比較高，密度比較大）的物質變得比較多，有些地方（藍色區(qū)域，溫度比較低，密度比較少）的物質變得比較少。而整個不均勻性恰好是紅色區(qū)域的物質密度比藍色區(qū)域大了十萬分之一。對于人類而言，這個數字至關重要，一點都不能多，一點也不能少。如果多一點，例如萬分之一，物質分布會過于密集，使宇宙中的大多數天體都變成黑洞;如果少一點，例如百萬分之一，物質分布過于稀疏，使宇宙中的大多數天體都無法形成。這意味著理論上完全隨機的量子漲落，它所導致的物質分布不均勻性，必須恰好是十萬分之一，否則銀河系或太陽系就無法形成。換句話說，我們人類今天之所以能夠存在，本質上源于宇宙創(chuàng)生時期發(fā)生的那次幸運到極點的量子漲落。

人類的好運氣并非僅限于此。一個行星上想要產生生命，需要同時滿足以下三個條件：第一，必須是一顆固體行星;第二，必須處于宜居帶;第三，要有大氣和磁場。這三個條件很苛刻，但地球全都完美地滿足了：它的質量很合適，不大不小，所以能一直保持固體行星的狀態(tài);它所處的位置很合適，要是離太陽再遠5%或者再近15%，就會從宜居帶里掉出去;它還有一個巖漿翻滾、異常活躍的內部，這樣它可以形成大氣層來保持溫度，同時也能建立磁場來抵御危險的太陽輻射。

盡管擁有這么多有利條件，在地球形成之初，對生命而言，它依然是一個地獄般的存在。變化出現在45億年前。一個特別偶然的事件，讓地球擁有了一顆巨大的衛(wèi)星——月球。一般來說，像月球這么大的衛(wèi)星，是只有木星、土星這樣的巨型氣體行星才有資格擁有的奢侈品。地球擁有這么大的衛(wèi)星，就像是普通工薪族擁有一艘豪華游艇一樣，是非常奇怪的事。

但宇宙就是那么神奇。45億年前恰好有一顆火星大小的天體撞上了地球，這樣才把月球從地球中給撞出來，進而把地球改造成了一個適合生命出現的綠洲?？茖W研究表明，這次撞過來的天體必須恰好像火星那么大，不能更大也不能更小。如果再大一些，地球就會被這次撞擊徹底摧毀;如果再小一些，就無法撞出現在這個足以改變地球自轉的月球。

這兩個理由已經夠震撼了吧，但人類的存在還需要更多的不可能！第三個理由是，地球歷史上發(fā)生過很多次大規(guī)模的生物滅絕事件，幫我們人類干掉了那些主要的競爭對手。至于為什么會發(fā)生這些大滅絕，科學界一直眾說紛紜，沒有定論，唯一可以肯定的是這樣的大滅絕人類并非只經歷一次，而是至少經歷了5次。

對于人類的幸運，著名科普作家、《萬物簡史》的作者比爾·布萊森曾做過一個非常形象的比喻：“在將近40億年的時間里，在每個必要的時刻，我們的祖先都成功地從一系列快要關上的門里鉆了過去。”

回溯原初宇宙，揭示更多宇宙奧秘，這是建造“天眼”的原動力，也是終極目標。離原初最近，才可能離未來更近。也才能解答人類一直面臨著一個最終極的問題——我們將往何處去？

說到這里，人類能夠存在于地球之上，不過是數不清的偶然因素共同作用的結果。而最新的觀測顯示，宇宙中包含的星系數量應該超過2000億個！按每個星系至少包含1000億顆恒星計算，宇宙中恒星的總數至少有200萬億億個。那么，在茫茫宇宙的眾多星球之中，是否有一些行星和地球一樣，極其幸運地孕育了成千上萬奇妙的物種？茫茫宇宙之中，是否有和人類一樣的智慧生命——外星人存在呢？

這就回到了“天眼”。它存在的意義就是要改變人類的宇宙觀。3月27日，李菂在上海科技館舉辦的上?？破沾笾v壇前接受《新民周刊》的采訪時表示，FAST有五大既定科學目標——中性氫的觀測;發(fā)現脈沖星以及進行脈沖星研究;VLBI觀測，對活動星系核的內核進行解析;對一些分子譜線進行探索;對地外生命的通信進行監(jiān)測，“也就是俗話說的找外星人”。

拿脈沖星來說，它是中子星的一種，能夠周期性發(fā)射脈沖信號，像人的脈搏一樣，一下一下出現短促的無線電信號。1967年10月，劍橋大學的研究生——24歲的喬絲琳·貝爾檢測射電望遠鏡收到的信號時無意中發(fā)現了脈沖星的脈沖信號，一開始，人們對此很困惑，因為規(guī)律發(fā)射的脈沖信號一直被認為是人造的。于是人們認為這可能是外星人在向我們發(fā)電報聯系，并將之稱作“小綠人一號”。

很快，經過幾位天文學家一年的努力，終于證實，脈沖星就是正在快速自轉的中子星。而且，正是由于它的快速自轉而發(fā)出射電脈沖。這個結論引起了巨大的轟動。因為雖然早在30年代，中子星就作為假說而被提了出來，但是一直沒有得到證實，人們也不曾觀測到中子星的存在。而且因為理論預言的中子星密度大得超出了人們的想象，它們的密度，每立方厘米相當于1萬艘萬噸巨輪的質量壓縮起來。那是一個地球上無法想象的、類似科幻小說《三體》里“水滴”的世界。

天文學家們通過研究得出結論，脈沖的形成是由于脈沖星的高速自轉。原理就像我們乘坐輪船在海里航行，看到過的燈塔一樣。設想一座燈塔總是亮著且在不停地有規(guī)則運動，燈塔每轉一圈，由它窗口射出的燈光就射到我們的船上一次。不斷旋轉，在我們看來，燈塔的光就連續(xù)地一明一滅。脈沖星也是一樣，當它每自轉一周，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。

中國科學院FAST重點實驗室的一個天文學家團隊報告顯示：在明亮球狀星團NGC6205（也稱為M13）中探測到了一顆新的毫秒脈沖星。

科幻電影《星際穿越》中名叫卡岡都亞的黑洞，被電影導演諾蘭和電影的編劇之一兼科學顧問索恩想像并通過電腦特效制作出來。

3月27日，FAST首席科學家李菂在上海科技館舉辦的上?？破沾笾v壇上講述了科學家與射電望遠鏡的那些事兒。

最終，因為不斷發(fā)出電磁脈沖信號而得名的脈沖星和類星體、星際分子、宇宙微波背景輻射并列為20世紀四大天文發(fā)現。這些發(fā)現看上去高深而遙遠，卻在某些方面“洞悉”了未來。

李菂說，脈沖星在基礎科學研究領域具有極其重要的學術意義。由于脈沖星的大質量和小半徑，其表面引力場非常強，這使得脈沖星成為強引力場研究的天然實驗室。由于脈沖星的超強磁場，又為我們研究磁層粒子加速機制、高能輻射、射電輻射過程提供了一個理想場所。

此外，脈沖星作為大質量恒星坍縮后超新星爆發(fā)的產物，它對于研究超新星爆發(fā)理論、理解脈沖星的形成機制相當重要。超新星爆發(fā)是宇宙中巨大的能量釋放現象。銀河系內，大約每隔50年就會出現一顆超新星。它的質量比太陽大，爆炸之后會留下一顆密度非常大（不過比黑洞要小很多）的中子星。雖然人類很難走出銀河系，但是天文學家可以通過望遠鏡等各種手段來研究包括遠在銀河系之外的神奇天體。人們期望能夠用FAST來發(fā)現銀河系外的中子星。

從應用層面而言，部分脈沖星自轉周期的長期穩(wěn)定性已經趕上甚至超過了氫原子鐘，這表明脈沖星在宇宙航行領域是潛在的可以替代原子鐘的時間標準。從脈沖星中遴選出脈沖信號穩(wěn)定的毫秒脈沖星，將來有望應用于星際導航。

總之，關于脈沖星的一切謎團，都有待FAST來一一解開。而探尋“地外文明”，“搜尋星際通信信號”，也一直是FAST的科學目標之一。李菂表示，隨著FAST探索外星人設備的啟用，人類在不久的將來也許就會有是否存在外星人的階段性答案了。

回溯原初宇宙，揭示更多宇宙奧秘，這是建造“天眼”的原動力，也是終極目標。離原初最近，才可能離未來更近。也才能解答人類一直面臨著一個最終極的問題——我們將往何處去？

“無論是阿雷西博已取得的成就，還是FAST剛開始的努力，這些都代表著我們這顆行星絢爛的希望?！崩钋呎f。

擁抱宇宙的人，腳踩地球

作為FAST的首席科學家，李菂的前半生一直在和阿雷西博打交道。從美國康奈爾大學博士畢業(yè)后，曾分別在美國哈佛—史密松天體物理中心做天文學者，在美國宇航局噴氣推進實驗室和加州理工學院做研究員。其間，他在觀測天文領域取得一系列具有開創(chuàng)意義的成果。

對星際分子的持續(xù)發(fā)現和系統(tǒng)研究是了解恒星形成、星際介質演化和天體化學的觀測基礎。首次發(fā)現星際分子氧氣的便是李菂當時所在的微波衛(wèi)星團隊。在探測星際分子的同時，李菂還對宇宙氫的觀測方法進行了創(chuàng)新。“對氫的觀測非常重要。”李菂說，“星際氣體演化是天文領域的重大科學問題。氫氣是宇宙重子物質的主要成分，其質量遠大于恒星總質量。宇宙物質循環(huán)從原子氫氣開始?！?/p>

但氫的觀測也是天文觀測的難點所在。通過不懈的研究，李菂發(fā)展并命名了一個新的觀測方法——中性氫窄線自吸收。它是目前測量分子云中總原子豐度的唯一可靠辦法，并被恒星形成理論的年度綜述文章評述為測量氫轉化時標的主要工具。“宇宙學的計算和模擬也開始利用我們測量的結果，幫助計算星系形成?！崩钋呎f。

2012年，李菂暫時中斷了空間科學技術的探索，回國參與FAST的一線建設。

去過天眼的人都知道，它坐落在貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)，建在一個天然的喀斯特洼坑——大窩凼里。在遠離都市的深山老林里，工作單調枯燥、隔期返家、缺少社交活動，對任何人都是一個巨大的考驗。李菂卻覺得這是一個十分有趣、充滿探索和創(chuàng)造的過程。

“天體物理是比較純粹的基礎科學，沒有直接的實用性，原動力是滿足人類的好奇心。好奇心是我們科學家個體的樂趣，更是人類生存的必須。不停探索前所未知的世界，才能面對前所未有的困難，取得我們現在還想象不到的答案。”李菂說。

無論是阿雷西博還是FAST，都帶有一定的科學幻想成分，但當我們把科幻變成現實的時候，那些遙不可及的未來似乎變得更加“近切”。李菂希望更多的有志青年能夠投身于極其小眾的天文學事業(yè)之中，勇于嘗試那些看起來完不成的事情，完成“中國天文從追趕到超越的一次嘗試”。

系外行星的搜尋史

系外行星是指太陽系之外圍繞其他恒星運行的行星。目前，人類確認的系外行星數量超過4100顆。

1987年

美國開展了利克-卡內基行星搜尋工作，已經發(fā)現了幾百顆系外行星。

1990年

哈勃空間望遠鏡發(fā)射升空，最早用直接成像法發(fā)現了北落師門周圍的行星。

1993年

法國發(fā)射成功ELODIE光譜儀。在類太陽恒星周圍發(fā)現了第一行星，證明了在太陽系之外的正常恒星周圍也存在行星系統(tǒng)。

1998年

英國和澳大利亞組織開展了系外行星搜尋工作，截至2012年已經發(fā)現了29顆行星。

2003年

美國發(fā)射斯皮策太空望遠鏡，用于捕捉系外行星發(fā)出的紅外輻射。同年，加拿大發(fā)射成功微可變性和共振恒星望遠鏡MOST，主要研究行星在凌日期間的大氣變化。

2006年

法國發(fā)射了COROT，發(fā)現約20顆系外行星。

2009年

美國國家航空航天局發(fā)射的開普勒望遠鏡用于搜尋類地行星。

2017年

TSEE望遠鏡計劃發(fā)射，任務是用凌星法進行巡天，尋找系外行星。

2018年

詹姆斯·韋伯望遠鏡作為哈勃望遠鏡的后續(xù)計劃，預計2021年10月31日發(fā)射。這將是有史以來最強大的光學和紅外空間天文臺，它用直接成像法拍攝系外行星。