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宇宙探索

“中国天眼”被纳入大辞海 它是如何捕捉宇宙秘密的?

每探测和记录下一颗脉冲星,或许就意味着我们离发现地外文明更进一步。

李禾子

发布于 9月16日责编 : 郭娟

据新华社报道,近日更新的大型综合性辞书《辞海》第七版,在天文学科新增了“500米口径球面射电望远镜”(英文:Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,简称FAST)条目,也就是俗称的“中国天眼”。

从今年1月11日通过国家验收正式开放运行起,“中国天眼”便成为中国天文学的另一项重要标志。这一从1994年就启动预研究、耗时5年建成,又花了3年时间进行反复调试才终于通过验收的巨大装置,也是目前世界上最大的单面口径球面射电望远镜。

那么“中国天眼”到底是什么?它对人类来说意味着什么?

图源网络
图源网络

“中国天眼”建在贵州省平塘县克度镇的大窝凼洼地,四面被茂盛的绿色植被环绕。它的外形就像一口支在群山间的大锅,25万平方米的反射面面积相当于30个标准足球场那么大,据说走一圈下来需要30多分钟。

人类对于宇宙的好奇从未停止过,“中国天眼”承载的是人类探索宇宙奥秘和发现地外智慧生命的希望,这也是它最让天文爱好者们兴奋的地方。截至验收,“中国天眼”公布两年多来发现的脉冲星数量达到102颗,已超过同期全球多个脉冲星搜索团队发现数量的总和。

而每探测和记录下一颗脉冲星,就可能意味着我们离发现地外文明更进一步。

如何捕捉一颗星星?

宇宙中物质和天体的运行并不是悄无声息的,它们在活动过程中通常会发出波长不等的电磁波,这就为人类观测宇宙提供了可能。

天文望远镜就是我们用来捕捉这些电磁波的工具。因为电磁波的波长不同,天文望远镜的建造原理和形态也存在差异。比如,我们上学时都学过可见光属于电磁波的一种,如果一个天体可以发出可见光,那么它大概率可以被天文光学望远镜所捕获。我们生活中所能接触到的望远镜也基本属于光学望远镜。

全球最大的光学天文望远镜欧洲极大望远镜(E-ELT)概念图(图源ESO)
全球最大的光学天文望远镜欧洲极大望远镜(E-ELT)概念图(图源ESO)

但如果是波长比可见光更长的无线电波,人眼就无法看到,光学望远镜也无法发挥作用。这时候就需要借助“中国天眼”这样的射电望远镜来实现观测。

不同于光学望远镜常见的圆筒形外观,射电望远镜常常需要一个球面或是抛物面装置。这有点像一些家庭安装在室外用于接受电视信号的“大锅盖”,这个“锅盖”就是射电望远镜的主反射器,主反射器会将接收到的宇宙无线电波聚焦在位于其上方的接收天线上,人类再将搜集到的资料进行分析和储存。

“中国天眼”用来接收无线电波的天线叫做“馈源舱”,这也是“中国天眼”用来接收和回传信号最核心的部件。人可以通过移动及补偿风运动等的干扰,实现对馈源舱位置的精细控制。

500米口径球面射电望远镜艺术概念图,红色箭头即馈源舱
500米口径球面射电望远镜艺术概念图,红色箭头即馈源舱

在“中国天眼”之前,全球最大的单面口径球面射电望远镜位于波多黎各的阿雷西博天文台。“中国天眼”较阿雷西博的优势在于,其主反射器表面由4,450片每边长约11米的三角形面板组成,这种构造使得“中国天眼”能够在一定程度调节观测天空的角度;阿雷西博的反射器则是一个固定的球形,因而限制了观测范围。

而且“中国天眼”反射器更深的盘面,也有助于扩大的视野。

阿雷西博天文台电波望远镜(上)与“中国天眼”(下)的盘面对比图(图源Wikipedia插画师Cmglee)
阿雷西博天文台电波望远镜(上)与“中国天眼”(下)的盘面对比图(图源Wikipedia插画师Cmglee

在天文学中,新的天文仪器在建造完成之后第一次观测或取得影像的行为被称作“开光”。2016年9月25日,“中国天眼”进行了建成后的开光测试,观测到了编号为J1921+2153的脉冲星,并形成了如下的脉冲轮廓图,以及未消色散的频率-相位图。

J1921+2153脉冲轮廓图
J1921+2153脉冲轮廓图
J1921+2153未消色散的频率-相位图
J1921+2153未消色散的频率-相位图

巧合的是,这颗脉冲星也是剑桥大学研究生乔丝琳·贝尔在1967年无意中发现的人类历史上首颗脉冲星,当时命名为“CP1919”。这刚好也成为“中国天眼”对脉冲星科学前辈的致敬。

终极目标:搜寻地外文明

“中国天眼”工程台址与观测基地系统总工程师朱博勤曾在接受红星新闻的采访时称,中国天眼的三大目标是:脉冲星、星际导航和中性氢

脉冲星是中子星的一种,由恒星演化和超新星爆发形成,会周期性地发射脉冲讯号。这种星体的自转周期极其稳定,因而能够成为人类测量宇宙时空的超高精准度坐标。这就好比是人在地球上开车,能够通过GPS卫星导航来实现定位,在茫茫宇宙,当望远镜和卫星都无法直接观测时,脉冲星就是宇宙飞船的GPS,为星际导航提供了可能。

蟹状星云脉冲星的X射线/可见光波段合成图像
蟹状星云脉冲星的X射线/可见光波段合成图像

“中国天眼”是发现脉冲星的理想设备。

射电望远镜分为许多种类,除了像“中国天眼”这样的单个大口径射电望远镜,另一种常见的类型就是阵列射电望远镜。后者通常由多个射电望远镜单元组成,用于弥补单个设备能力的不足,也被用来实现对宇宙中更远距离天体的观测。阵列射电望远镜最为著名的应用案例之一,就是帮助绘制人类历史上首张黑洞照片。

阵列射电望远镜的优势是高分辨率,能让成像更加清晰;单个大口径射电望远镜的优势则是高灵敏度,能捕捉到信号暗弱的天体。脉冲星就具备后一种特点,且易被人造电磁干扰淹没,到目前人类也只观测到一小部分。

“中国天眼”的另一个重要任务是探测中性氢。根据宇宙大爆炸学说,中性氢是宇宙中几乎与大爆炸同龄的“老人家”,观测和研究中性氢的分布,能帮助科学家进一步弄清银河系和河外星系的结构,解开宇宙大爆炸等宇宙起源和演化之谜。

本月初,印度国家射电天体物理中心研究小组利用巨米波射电望远镜(GMRT)在一个遥远星系周围发现的中性氢环
本月初,印度国家射电天体物理中心研究小组利用巨米波射电望远镜(GMRT)在一个遥远星系周围发现的中性氢环

更重要的是,中性氢通常正在积极地孕育新的恒星,也意味着可能有新的外星文明产生。

“中国天眼”工程台址与观测基地系统总工程师朱博勤说,搜寻地外文明是“中国天眼”的终极目标之一。

今年6月,在接受科技日报记者采访时,国际宇航大会(IAC)搜索地外文明计划常设委员会(IAA SETI)会员、中国地外文明搜寻(SETI)科学家、北京师范大学天文系宇宙学与地外文明研究团组张同杰教授首次透露,在设备升级后,“中国天眼”预计9月可正式启动针对地外文明的搜索。不过目前还没有正式启动的消息传来。

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李禾子

专注于影视、音乐、综艺等泛文娱领域报道。 联系邮箱:lihezi@pingwest.com

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