天眼巡天，遍览星河

——FAST首席科学家李菂博士谈如何认知瞬变宇宙

千百年来，人类对于浩瀚、璀璨而又神秘的宇宙星空总有无限的遐想。从古代牛郎织女、嫦娥奔月的神话，“醉后不知天在水，满船清梦压星河”的诗句，到《超时空接触》、《阿凡达》以及《三体》等文学影视作品的出现，都体现了人类对宇宙星空的好奇以及对探索外太空的渴望与向往，正是这种发自内心的好奇和渴望驱动人类不断地开展天文研究，一次又一次拓展人类认知宇宙的边界。

当然，人类对宇宙的探索得益于望远镜的发明。从1608年荷兰人汉斯·李波尔发明的只能放大3倍双筒望远镜，到现在可以观测宇宙百亿光年距离的射电望远镜，望远镜的发展已经有四百多年的历史。我们不禁要问，科学技术发展至今，人类目前的探测手段究竟达到了何种程度？人类是如何认识宇宙的？宇宙是否依然是人们通常认为的那样宁静？2022年7月14日，FAST首席科学家李菂博士在iCANX有一说一栏目做了《亚理斯多德 pk 法拉第 -- FAST首席科学家李菂谈如何认知瞬变宇宙》的精彩讲述，为我们揭开了人类观测宇宙的神秘面纱。

一、天文学的必备武器：望远镜与电磁学理论

（一）望远镜的辉煌历史

第一位为人熟知的天文学者是伽利略，他在1609年发明了折射式光学望远镜，并用它观测月亮，发现月球原来是一颗表面布满了环形山和沟壑的星球，之后他确认了木星存在四颗卫星并发现了土星美丽的光环。伽利略为人类打开了望向宇宙的全新窗口，开启了观测天文学的发展之旅。

表1 望远镜发展历程

图1 伽利略望远镜（左）和中国天眼（FAST）（右）

（二）电磁学理论的三巨头

19世纪30年代，英国著名物理学家法拉第发现了电磁感应现象，他用23年的时间将自己所做的电磁现象实验做了详细的纪录，著有《电学的实验研究》。他创造性地提出用电势的紧张度和画力线的方式来表现磁铁和线圈之间产生的电磁感性现象，这就是我们现在中学物理中看似简单的电磁感应定律，它也奠定了现代场论的基础。尽管这一发现已经过去将近200年，但在李菂博士看来，仍然是科学史上令人震惊的革命性实验。

图2 法拉第和电磁感应现象

继法拉第之后，麦克斯韦提出了电动力学理论，使电磁学进入了一个全新阶段，将探索宇宙空间的理论向前推动一大步。麦克斯韦革命性地引入了位移电流，描述了电和磁的相互转化规律，表明了电磁场的空间传播速度是光速，同时电磁场的光速传播也反应了真空的性质。麦克斯韦方程组完美地统一了来自地面的电磁现象和来自天空的光。李菂博士评价这一发现是“站在了人类认知的巅峰，是物理学中非常完备优雅的知识”。

图3 麦克斯韦方程组

19世纪末，德国物理学家赫兹，第一次通过摩擦起电，在不接触的情况下观测到了放电现象，验证了电磁波的存在。通过这个实验，赫兹发明了发射天线，奠定了无线电技术的基础，也为未来的天文观测带来了福音。

图4 赫兹及其发明的世界上第一个发射天线

二、射电天文学的传奇：阿雷西博望远镜

美国的卡尔·央斯基是第一位射电天文学者，1932年他第一次将无线电技术应用于观测宇宙，发现来自银河系中心的射电辐射。1938年雷伯利用业余时间搭建了第一个能够聚焦的蝶形天线，接收到来自银河系的同步辐射信号。但是由于天文学是一个非常保守的学科，他们的发现在当时并未引起重视。

真正将无线电探测宇宙理念变成行业里程碑的事发生在1951年，当时正在哈佛大学物理系读研究生的欧文，受荷兰学者关于探测来自宇宙的原子氢气的超氢气结构谱线的预测性文章的启发，自行搭建了一套电子学设备，第一次观测到来自宇宙的原子氢气的辐射，这是现代射电天文学的开端。由于宇宙中物质的主要组成成分就是原子氢，所有恒星、星系、超新星、黑洞等质量总和都远远小于宇宙中原子氢气的质量，因此欧文的发现开创了星际介质、银河系动力学、天体化学等至今仍然非常重要的天文学领域。

欧文的发现为科学家们开启了观测宇宙的一扇门。此后，科学家们提出了各种创新性想法，其中最惊人的是1963年建成的阿雷西博望远镜，它300m的直径远远大于当时一般射电望远镜20m-30m的直径，从此站在了射电天线灵敏度的绝对巅峰长达半个世纪之久。

通过阿雷西博望远镜的观测，人类第一次测量了水星的自转，纠正了人类100多年以来对于水星的错误认知；它发现了第一例双星系统的中子星，并且发现它的轨道的衰变和广义相对论预言的引力波辐射的符合精度达到0.4%，这一发现获得了1993年诺贝尔物理学奖。然而令人遗憾的是，由于故障未及时维修，2020年阿雷西博望远镜坍塌，结束了它传奇的探索历程。

图5 阿雷西博望远镜

三、射电天文学的巨无霸：中国天眼（FAST）横空出世

（一）FAST的横空出世

中国天眼，全称为500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，FAST），自1994年提出建设构想以来，在南仁东等老一辈天文学家的带领下，经过22年艰苦的论证和建设过程，于2020年正式通过验收并投入使用。

表2 中国天眼（FAST）的建设过程

（二）FSAT的发现之旅——多科学目标同时巡天

1.        首创高时频噪声注入方法

射频设备的探测范围覆盖70MHz-3GHz的频段，也是是人类手机、蓝牙、wifi等利用的通信频段。这个频段最主要的两个天体物质，分别为中性氢（21cm谱线）和中子星或者脉冲星。研究中发现，世界上还没有实现同时观测这两种天体物质的方法，包括阿雷西博和绿岸在内的望远镜都没能实现同时观测多个目标。这是因为射频探测器和光学探测器的工作原理是不同的。光学或者高能以及红外探测器是能量探测器，将光作为粒子，从不同方向测量有多少粒子进入探测器，并将其绘成栅格，每个栅格像素点的强度对应能量的强度，不同的能量强度最终形成图像，在此基础上增加滤波器，可以进行颜色设置。而射频探测器是场探测器，是将电磁场作为波，通过高速持续采样，再通过傅里叶变换，进行信息的提取。根据需求将所得的信息进行选择性的合并。如果需要频率的信息，就要将时间的信息合并，得到频谱。如果需要时域信息，时间采样就要快，简化频率的信息，得到时间上的功率（图6）。经过这两种方式处理后就可以区分中性氢和脉冲星信号。由于这两种处理方式对精度的要求是不同的，中性氢采样数据的定标精度比较高，因此需要每秒增加一个已知温度和亮度的电子噪声，但是已知的噪声经过傅里叶变换处理后所形成的信号峰比真实的脉冲星的新号强得多，进而掩盖了真实的脉冲信号，使得功率谱就很难被用来搜索周期信号，这种技术挑战就使得以前的天文学家要想完成两种天体物质的测定，需要采样两次，每采样一次都要做不同的处理。为了解决这个问题，研究人员提出高时频噪声注入的新技术（图6），基于这项技术，于2018年验证了世界首创的多科学目标同时巡天模式，即只扫描天空一次，将所得到的信号同时做不同的处理，生成脉冲星和中性氢的成像数据，中性氢星系的搜索数据，时域信号（包括可能的地外文明新号和快速射电暴信号）共4个数据流，大大节约了望远镜的观测时间。

图6 射电信号的采集与信息提取示意图

2.        脉冲星的发现

通过多科学目标同时巡天，FAST已经捕获了超过160多个脉冲星，包括1个双中子星。由于目前全世界已知的双中子星约20颗，因此FAST捕获的1颗双中子星依然有较高的科学价值。

图7 FAST捕获的脉冲星

3.        快速射电暴的新发现

2007年，Lorimer第一次发现了只爆发一次的快速射电暴（Lorimer Bursts），它有两个重要特点，一是延迟明显，说明爆炸源距离地球特别遥远，二是亮度高，这两个特征综合说明爆炸初始能量非常高。但是由于这次信号不重复，无法进行重复测定，观测结果难以令人信服。

2017年人类第一次将快速射电暴进行定位并估算了它的爆炸初始能量。2012年发现的快速射电暴（FRB 121102）是人类已知的第一个重复爆发的快速射电暴，由于它重复爆发，因此能够利用各种探测手段对其进行综合测定，最终于2017年将其定位到30亿光年之外的某个矮星系之中。确定了具体位置后通过计算得到，FRB 121102的一个脉冲在爆炸时所蕴含的能量相当于一年的太阳能，如果换算成地球所接收的能量，那么一个脉冲的爆炸原始能量够人类社会用1万亿年。如此惊人的爆发能量，对于如今人类而言，它依然神秘，目前仍然缺少公认的自洽的物理解释，这是天文学中最重要的新兴前沿问题之一，需要深入研究。2019年FAST在60天内捕捉到FRB 121102的1652次活跃信号，获得迄今最大快速射电暴爆发事件样本，并通过双模型进行了数学描述和物理猜测，首次揭示快速射电暴的完整能谱及其双峰结构，研究成果发表于《自然》杂志，并入选了中国十大科学进展。

图8 FRB 121102能谱的双峰结构 （Li,D.Wang,P.,et al.2021.）

不仅如此，2019年5月20日FAST捕捉到世界上第一个持续活跃的快速射电暴（FRB 190520）。此前发现的500多个快速射电暴，大部分只爆炸一次，仅有5%的是重复活跃的，不定期爆发的，难以持续研究，而FRB 190520是目前为止唯一一个能够被持续观测到的快速射电暴，这就为重复观测提供了更多可能。2020年7月利用美国的甚大天文阵和加州的光学望远镜等大型设备进行多波段多种设备联合观测，确定了它的宿主星系的红移。相关成果于2022年6月8日发表于《自然》杂志。

图9 快速射电暴FRB 190520 的光学（a）、红外（b）和射电图像（c）（C.H.Niu,et al.2022.）

目前全球发表的500余个快速射电暴，FAST发现了4个，从数量上并没有优势，但是FAST发现的快速射电暴更倾向于宇宙的早期，色散更大，距离我们更遥远。由于多科学目标同时巡天是无偏差的大型巡天技术，可以通过这4个快速射电暴的发现反推，类似的现象每天在宇宙中至少发生12万次。可见探测的手段和灵敏度塑造了我们的宇宙观。宇宙并不宁静，反而是动态的，不断在剧烈变化着。

4.        中性氢谱线测量星际磁场

从法拉第开始人类便开展了对电磁量化的认识，但由于磁场是无源场，信号强度相对更弱，因此难以测量。对于宇宙空间的电磁场，很难将测量设备发射到几百光年以外的宇宙空间，测量难度就更大。最经典而直接的办法就是利用塞曼效应，通过遥感的办法进行空间磁场的测定。在空间磁场的强度下，在射频的频段，塞曼效应对应的能量或者频率的差别约为几个赫兹，而目前的测量手段能够测量GHz，10亿Hz的数量级，相当于空间磁场的强度只有目前测量能力的几亿到十亿分之一，这种精确测量对于目前的测定手段是巨大的挑战。在已知的星际分子介质磁场的测定中，只有三种分子有成功的测量，分别是羟基（OH）,氰基（CN）,硫化双碳（CCS）。

2003年李菂博士就已经利用阿雷西博望远镜开展了宇宙中中性氢的窄线自吸收的研究。发现了与分子云密切相关的冷氢气。这种冷氢气是依靠与氢分子碰撞被制冷，由于它比银河系辐射背景要冷，因此在整个银河系辐射背景上看到的是窄的吸收线，这项研究提供了一个用来计算分子云中剩余原子氢的方法（HINSA，图10），从而推算分子云演化的年龄，这是目前应用较多的天体化学方法。

图10 分子云中原子氢的吸收峰

在后续近20年的时间中，李菂博士不断尝试利用HINSA的方法测定星际分子的磁场，但均以失败告终。推测是因为阿雷西博望远镜吊装结构（信号接收系统）的遮挡以及散射等影响了信号光源的角度和强度，使得信号源纯度不够，杂质较多，导致精确偏振的测量变得特别困难。与阿雷西博望远镜相比，FAST的接收系统简单，对称性更好，对主光束的遮挡远远小于阿雷西博望远镜，它不但有灵敏度的优势，而且测到的信号杂质少。经过对FAST 3年的艰苦调试，第一次在金牛座分子云中，利用HINSA的方法，测量到分子云中约4微高斯的星际磁场，它相当于地球磁场的十万分之一，这样微弱测磁场不能提供充分的磁压力对抗重力塌缩，表明分子云已经达到了磁超临界状态，很快进行重力塌缩，最终达到足够的温度和密度形成核反应的点火。研究成果于2022年1月6日在国际学术期刊《自然》杂志以封面文章形式正式发表。《科学》杂志评论这项研究为“对恒星形成具有有革命性意义的发现”。

FAST于2020年通过国家验收，正式运行。目前已经发现160余颗脉冲星，发表120余篇学术论文，其中6篇发表于《自然》杂志，1篇发表于《科学》杂志，2篇发表《自然·天文》杂志。

四、科学巡天接力棒

2020年阿雷西博望远镜的坍塌，地球失去了一只望向太空的眼睛，所幸新的巨无霸--中国天眼FAST及时接过了接力棒，成为目前世界上唯一一个巨型射电天文望远镜，正如李菂博士在纪念阿雷西博望远镜的文章种所说：“We will carry on”，人类对宇宙的探索不会停止脚步，祝愿中国的天文学家在天眼FAST的助力下能够脚踏神州、联合世界、遍览星河，开创属于自己的天文时代。

注：本文由王荣华女士通过李菂博士在ICAN科学平台“有一说一”栏目的讲述整理而成。

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参考文献：

[1] Li,D.,Wang,P.,et al.2021.A bimodal burst energy distribution of a repeating fast radio burst source.Nature,598(7880):267.

[2] C.H.Niu,et al.2022.A repeating fast radio burst associated with a persistent radio source.Nature,606(7916):873.

[3] 戴闻.伽利略的天文发现及其文化影响[J].物理,2009,38(10):737.

[4] 王洛印,胡化凯.电磁感应定律的建立及法拉第思想的转变[J].哈尔滨工业大学学报(社会科学版),2009,11(03):19-33.

[5] 中国“天眼”筑梦人——忆FAST工程首席科学家、总工程师南仁东[J].空间科学学报,2017,37(06):779.