揭開宇宙神秘電波的面紗，中國「天眼」明察秋毫

2020-11-05 經點科學

「中國天眼」FAST的原創成果，過去一周已兩度登上國際頂尖學術期刊《自然》。

在廣袤的宇宙中，經常有一束神秘無線電波襲來。雖然它僅僅閃現幾個毫秒（1毫秒=1‰秒），也就是蒼蠅煽動一次翅膀的時間，但它瞬間釋放的能量卻可以達到1038erg(爾格，能量單位），相當於地球上幾百億年總的發電量。2007年，天文學家在分析澳大利亞64米射電望遠鏡2001年記錄的信號中首次發現了這一閃現只有幾毫秒的無線電波（學名快速射電暴，簡稱FRB）。

不過，這一神秘電波從何而來？如此快速閃現的無線電波包含了什麼信息？它會不會是外星人發來的「信號」？過去十幾年，全世界各地的天文學家們一直收集信息，試圖揭示其中真相。

向著科學的高峰努力攀登，如今，中國「天眼」（FAST，全稱500米口徑球面射電望遠鏡）最新的觀測揭示了這一神秘電波爆發的物理機制，相關研究成果的兩篇論文近日發表於國際科學期刊《自然》雜誌。

二十餘年鑄一「鍋」：它能在雷聲中辨出蟬鳴

這些距離地球幾億光年之外的神秘電波，它們究竟是銀河系內緻密星體發出的，還是宇宙深處的劇烈爆發引起的？

2007年人類首次偵測到這一神秘電波後，經過大約十年的探尋，天文學家們收集了30多個爆發源，發現它們在天空幾乎是隨機分布的，因此斷定這些毫秒閃現源中的絕大多數不是銀河系內的天體發出的。

既然如此，它們從哪兒來？天文學家的探索在2017年有了新的進展：這一年，他們捕獲了一個神秘電波，它竟然在幾個小時內重複了幾次。利用世界多臺大射電望遠鏡聯合探測並利用記錄幾毫秒的信號進行快速定位，天文學家終於將一個重複爆發的無線電波快速閃現源定位到宇宙深處30億光年之外的一個星系裡。

眾所周知，天文學是極度依賴觀測設備的一門科學。遺憾的是，因為沒有大射電望遠鏡，觀測的靈敏度不夠，無法拿到第一手資料，中國天文學家過去在這個前沿領域，只能做理論研究。

工欲善其事必先利其器。「建造新一代射電望遠鏡，這是一個必須抓住的機會！」上世紀九十年代，時任北京天文臺副臺長的南仁東等老一輩天文學家提出建設中國「天眼」的構想。

二十餘年鑄一「鍋」，2016年FAST竣工，無可爭議地成為當今世界上最靈敏的射電望遠鏡：其靈敏度是目前全球第二大單口徑射電望遠鏡的2.5倍以上，睜開「銳眼」的FAST能接收百億光年外的電磁信號。曾有專家形象地說，「它靈敏到可以在雷聲中分辨出蟬鳴。」

FAST立功：兩大門派爭鋒，它一錘定音

在2019年嘗試性的開放觀測中，由北京大學李柯伽研究員、國家天文臺韓金林研究員和美國內華達大學張冰教授領導的研究團隊希望利用FAST觀測一個澳大利亞2018年3月1日探測到的快速射電暴爆發源FRB 180301，看看這個源是否會重複爆發。幸運的是，2019年7月16日的2小時觀測如願探測到了4次爆發。此後，研究團隊調整觀測策略，在2019年10月6日和7日，FAST又在6個小時內探測到11次爆發。統計下來，在共計12個小時的觀測時間裡，FAST探測到15次快速射電暴閃現，每次閃現的強度曲線各不相同。

「這個爆發源與2017年發現的那個30億光年外的爆發源距離類似、無線電爆發率類似，但強度要暗弱很多。」讓中科院國家天文臺研究員韓金林更興奮的是，FAST觀測的11個爆發信號中，居然有7個毫秒閃現爆發能夠很好地解析出其偏振，而且這7個偏振不僅僅是變化的，還呈現出變化的多樣性。如此變化的偏振在早先的重複快速射電暴中從來沒有看到過。

這意味著什麼？

關於快速射電暴的起源機制，此前眾說紛紜：從超新星爆發到中子星合併，從黑洞吞噬星體到磁星星震等等，甚至有人還認為是外星智慧生命向地球發射的無線電信號。

「而FAST觀測到的偏振變化多樣性明確說明，宇宙中的快速射電暴可能來自緻密星體磁層中的物理過程。」在韓金林看來，這個觀測結果直接否定了一批國際學者關於快速射電暴起源於粒子衝撞的理論，為近幾年緻密星磁層起源和爆發物質激波撞擊起源的兩大門派理論爭鋒給出了直接裁定。

該研究成果的論文已於北京時間2020年10月29日凌晨發表於《自然》雜誌。這是中國建造的射電望遠鏡第一次在靈敏度這個重要指標上佔據了世界的制高點，它大大拓展了人類的視野，也使中國的天文學家終於有機會走到人類視界的最前沿。

來源於磁層的快速射電暴偏振多樣性。李柯伽供圖

另一項北京時間11月5日凌晨在線發表於《自然》的研究論文亦與快速射電暴有關。

2020年4月，北京師範大學林琳博士、北京大學張春風博士、國家天文臺王培博士等聯合研究團隊利用FAST對銀河系磁星（高度磁化的特殊中子星）軟伽馬重複暴源SGR J1935+2145進行了多波段聯合觀測。

觀測結果表明高能波段的暴發與射電波段的FRB幾乎沒有相關性，說明磁星產生高能爆發時不能產生掃過地球的FRB。

FAST與世界上的其它望遠鏡也探測到了射電FRB。內華達大學教授張冰（論文通訊作者）認為，「SGR J1935的觀測結果表明磁星很可能是絕大部分FRB的起源，儘管不能排除其它起源的可能。」

「目前，FAST正在對SGR J1935+2154及其他一系列FRB源展開持續監測。FAST的歷史最強絕對靈敏度使其在射電瞬變源方面具有重大潛力。」在北京大學李柯伽研究員看來，FAST測量結果對研究快速射電暴的起源和物理機制，將起到重要的推動作用。

多面小能手：還能探測脈衝星、引力波

除了是快速射電暴「捕捉小能手」，FAST迄今已協助我天文學家發現脈衝星數量超過240顆。其中一顆是在球狀星團M13中發現的新脈衝星，它是一個脈衝雙星，也是一個典型的「黑寡婦」系統。在球狀星團M92中發現的則是一個具有掩食現象的毫秒脈衝雙星，這是在M92中發現的第一顆毫秒脈衝星，密近的軌道和較大的伴星質量預示著伴星的物質正在被脈衝星吸積。藉助FAST的高靈敏度，伴星及其星風的遮擋帶來的脈衝星信號掩食現象和伴星星風導致的脈衝星信號到達時間延遲都能被清晰觀測到。具有這些特殊現象的脈衝雙星在天文學中稱為「紅背蜘蛛」系統。該發現被美國天文學會選為亮點研究成果。

不僅如此，被寄予厚望的FAST還有另外一個重要用途：探測低頻引力波。

2016年2月，LIGO合作組宣布首次直接探測到廣義相對論預言已久的引力波之後，對引力波的探測已經成為天文學界的熱門話題。

通過對毫秒脈衝星的長期監測，選取一定數目的毫秒脈衝星組成計時陣列，可以探測來自超大質量雙黑洞等天體發出的低頻引力波。李柯伽研究員說，「受益於FAST超高靈敏度，我們已經將脈衝星的測時精度提升至少一個數量級」。這有望使我們首次具備納赫茲引力波的探測能力。

「可以說我們已經走在『出大成果』的攀登之路上。」中國科學院院士、天體物理學家武向平表示。

經濟日報經點科學工作室

記者：沈 慧

編輯：佘惠敏

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    我們曾經嘗試向宇宙發射信號，也接收過來自宇宙深處的信號。我們發出的信號並沒有得到回音，所接收到的信號也都沒有破譯，人類想要找到外星人的蹤跡還是非常困難的。在2007年的時候，科學家曾經發現了一束神秘無線電波，我國的科學家在今年也監測到了它的位置。這束神秘的電波是一種快速射電暴，科學家把它命名為FRB121102。
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  • 這個宇宙「神秘電波」源頭找到了!
    美國內華達大學拉斯維加斯分校教授張冰在接受《中國科學報》採訪時表示，一個極端看法是宇宙中所有的快速射電暴都是由磁星產生的；另一個則是不否定「大自然的創造力」，存在不止一個起源。 據介紹，快速射電暴起源的相關模型有50多個，主流理論多指向大型緻密天體，除磁星外，還有中子星碰撞、中子星與黑洞碰撞或黑洞碰撞等產生的「災變性」快速射電暴，非主流模型則有外星文明訊號等。
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  • 中國貴州的「天眼」到底有多厲害,難怪霍金生前一直反對其使用
    為了進一步揭開宇宙神秘的面紗，全球最大的射電望遠鏡應運而生。中國自主研發的這個超級望遠鏡，直徑高達500米，面積相當於30個標準足球場，綜合性能比美國最先進的射電望遠鏡強十多倍。那麼這個中國貴州的「天眼」到底有多厲害？難怪霍金生前一直反對其使用。
  • 來自宇宙的神秘電波
    近日，科學家第二次發現了來自宇宙深處的規律性神秘電波--重複快速射電暴，似乎為有外星來客嘗試聯絡我們提供了證據，網絡上也是議論紛紛，假如真的是外星來客所發出的信息，我們不知道如何面對他們。是積極聯絡，與他們建立關係，還是沉默不語，保護地球的安危。
  • 中國天眼究竟能看到什麼？為何被各國強烈禁止？
    可是在該天眼投入使用後，卻被各國強烈禁止，那麼天眼究竟能見到什麼呢？中國天眼是當前世界最大的射電望遠鏡，可以接受到更多更細微的信號，觀測到更大範圍的宇宙天體，促進國家天文領域與物理領域的發展，對人類揭開宇宙的神秘面紗具有十分巨大的作用。
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    隨著中國科技的不斷進步，中國有許多科技已經開始追上甚至超越了世界的最高水平。中國天眼就是其中之一。說起天眼，相信很多人對這個科技非常的陌生，這個儀器是用來探測地球周圍的一些隕石，一些外來現象，這樣的儀器對於人類的研究事業來說可以說是非常的重要，對於人類未來的發展也有著極強的指導意義。可是這麼重要的儀器，卻有外國科學家表示要將它關閉，這究竟是為什麼呢？
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