中国天眼首席科学家李菂中国射电天文，从落后到领先世界

　　近日，一年一度的＂瞰见未来＂复旦大学管理学院新年论坛在线上举行。中国科学院国家天文台研究员、国家天文台FAST运行和发展中心首席科学家李菂在主旨演讲中分享了射电天文领域的前沿科学，带领我们一起穿越时空，瞰见未来。
　　＂中国天眼＂ （新华社图）
　　今天，我想把中国500米口径球面射电望远镜（FAST）取得的一系列科学成就，放到世界射电天文学的发展历程中去一窥究竟。
　　原子氢气的意外发现
　　对于可观测宇宙，有这样一个具有普遍共识的认知：宇宙最开始是一个奇点，它发生了剧烈的爆炸，在这之后它的体积极度膨胀，随着能量的降低，能量转化成了物质。这种物质在原子层面最基本、最主要的成分是原子氢气，在这之后，随着宇宙的继续膨胀，原子氢气进一步形成恒星、行星以及生命，也就是变成我们现在看到的这样一个丰富多彩的宇宙。然而，即使到今天，大家肉眼可见的星系和恒星的总质量仍远远小于原子氢气。所以，整个现代射电天文学启程的里程碑就是原子氢气的试验发现。
　　1951年，哈佛大学物理系研究生欧文在一次出于业余爱好的试验中，发现了原子氢气，而他的主业实际上是研究回旋加速器。他搭建了一个非常简单的天线，给这个天线配以当时世界上非常先进的电子学系统，就找到了原子氢气，并在物理上预言了原子氢气在无线电波段的一个辐射。这个辐射的频率在1.4GHz，就是1秒钟电磁场要反复振荡14亿次，它对应的波长是21厘米。这一发现确认了宇宙物质中最主要的组成成分，也开启了一系列天文学中非常重要的子领域。
　　事实上，欧文博士的发现是相当意外的。2001年，在一个纪念这一发现50周年的大会上，他回忆说，由于他是一个物理专业的学生，不是天文圈的人，所以他当时并不知道荷兰的大天文学家——提出这些原创想法的先驱者也在做这个试验。而更令我们感到震惊的是，他整个试验的预算，包括元器件、天线，一共只花了500美元。
　　欧文能够用500美元打开人类的新视野，与他所处的历史环境有关系。他可以用500美元进行世界上最前沿的物理实验，是因为当时美国政府有一个主管战时基础研究和发展的办公室，其核心目标之一是发展雷达，因此专门设立了射电实验室。战争结束后，这个实验室遗留了大量军方过剩的电子元器件，这就是欧文为什么能用白菜的价钱进行人类最前沿的科学探索的原因。
　　阿雷西博望远镜的横空出世
　　到了20世纪60年代，一个巨无霸望远镜横空出世，它的出现也非常意外。因为它的提出和建设并不是由天文学家主导的，而是由电子工程师主导的，特别是美国康奈尔大学的威廉·戈登。
　　威廉·戈登是美国＂二战＂的老兵，他得到老兵奖学金的支持，在康奈尔大学念书，然后留下来当教授。他提出的想法是要研究等离子层的雷达的回波，但他的计算出现了失误。他的同事很快就指出，他的科学目标不需要300米直径的望远镜，而只需要30米直径。但是非常意外的是，1958年底，美国新成立的一个国家资助委员会在明知这个项目很有争议的前提下，依然资助了这个直径达300米的巨无霸望远镜。
　　这需要放到当时非常激烈的大国角力的历史背景中去理解。在威廉·戈登提出这个前沿想法之前的几个月，苏联成功发射了第一颗人造卫星，开启了美苏之间的太空竞赛。所以，美国政府资助阿雷西博望远镜这个前瞻性的项目也就不足为奇。可以说，这样一个基础研究的大型设备是冷战的直接后果。
　　阿雷西博望远镜从1959年开始立项，至1963年建成。作为一个惊人的巨型科学设备，从它落成开始，就在不断地改写教科书，改写人类对无线电天空的理解。特别是1973年，它发现了双中子星，这一发现获得了1993年的诺贝尔物理学奖。
　　1996年，中国老一辈科学家包括南仁东先生第一次到阿雷西博望远镜的现场去实地考察。也就是在20世纪90年代中期，南仁东先生萌生了要建造中国自己的大型射电望远镜的构想。
　　令人遗憾的是，由于故障未得到及时维修，2020年，阿雷西博望远镜坍塌损毁，结束了它传奇的探索历程。
　　＂中国天眼＂的科学成就
　　被誉为＂中国天眼＂的500米口径球面射电望远镜（FAST）坐落在贵州省平塘县，是目前世界上最大的单口径射电望远镜，于2016年9月25日落成启用。它的总面积达25万平方米，相当于30个足球场那么大。这样一个500米口径的＂大锅＂如果用来做饭的话，全世界每个人至少可以分两碗。
　　其实这个＂大锅＂本身是透光的，它有超过一半的面积是由一些微小的孔洞组成的。由于这些孔洞的存在，它可以透光、透水，但不能透过无线电波，因为这个孔洞的直径要远远小于波长。这个巨无霸的科学装置主要通过反射和收集来自宇宙的无线电波来研究天文学中的一些重要课题。
　　2022年第一期国际顶级学术期刊《自然》的封面上刊登了＂中国天眼＂的重要发现。我们第一次利用＂中国天眼＂成功揭示了氢气的窄线自吸收的塞曼效应。它测量出的是星际空间中的大约4个微高斯的微弱磁场，4个微高斯大约相当于地球磁场的10万分之一，所以这是对于精确测量的巨大挑战。这个重要的发现对于恒星的形成有着潜在的革命性的影响。
　　＂中国天眼＂的这种精确测量宇宙信号的能力有效地推动了一系列天文学前沿领域的研究，其中最有代表性的就是对快速射电暴的观测。所谓快速射电暴，是一种神秘的来自银河系外的射电天文现象，它能在毫秒也就是千分之一秒的时间尺度内，释放出相当于太阳一整年的太阳能。对于这样一个全新的神秘天象，我们现在还不知道它的物理起源，还处在非常早期的探索阶段。
　　快速射电暴的研究历程并不长，2007年才在全球范围内首次确定它的存在，由此催生了一个快速发展的全新领域。目前探测到的宇宙中的神秘爆炸事件有几百例，其中，＂中国天眼＂通过＂多科学目标同时巡天（CRAFTS）＂优先重大项目，共发现了4例快速射电暴。2022年，＂中国天眼＂还发现了首例持续活跃的重复快速射电暴。它第一次出现在我们数据中的时间是2019年5月20日，依据惯例，快速射电暴的命名是用它第一次被探测到的时间，所以它叫作190520。目前我们已经探测到它的几百次爆发。一般来说，快速射电暴虽然爆炸的时候很亮，但是大多数只爆炸一次，只有极少数非常活跃。这个新发现于2022年6月9日在《自然》杂志发表，同时也入选了2022年《科技日报》评选的＂国内十大科技新闻＂和中央电视台发布的＂国际十大科技新闻＂。
　　快速射电暴被认为是引力波探测之后天文学最重大的发现，我们在这个新兴的领域中首次发现持续活跃的快速射电暴，证明我们已经能够站在这个前沿领域的第一梯队。2022年12月，我们通过系统分析＂中国天眼＂对快速射电暴的观测数据，精细刻画出动态宇宙的射频偏振特征，揭示出圆偏振可能是重复快速射电暴的共有特征。这个研究成果也在国内学术期刊《科学通报》上作为封面论文发表。
　　整个快速射电暴研究领域非常年轻，截至目前一共有29篇论文发表在国际顶级学术期刊《自然》和《科学》杂志上。在＂中国天眼＂诞生以前，中国在《自然》和《科学》杂志上发表的有关射电天文学的论文数为0。而在2022年，中国发表的相关论文占比超过70%。这完全反映了在实验科学领域中，国之重器＂中国天眼＂的重要性。
　　总而言之，不论是对于星际磁场的精确测量，还是从追赶到引领快速射电暴的新兴前沿领域，这些都只是＂中国天眼＂重要工作的一部分。＂中国天眼＂从2020年正式面向全球开放运行以来，已经有大约400个观测项目正在开展，共催生了超过150篇学术论文。
　　曾任FAST工程首席科学家兼总工程师的南仁东先生不幸于2017年去世，他发起和创建的500米口径球面射电望远镜，应该说是21世纪早期人类在无线电频段对于太空探索的一个代表性成就。如果说阿雷西博望远镜的诞生是美苏冷战的直接后果，那么＂中国天眼＂的成就则是中国过去30年科学积淀和迅猛发展的结果。我们非常幸运地成为这个历史性进程的受益者，同时也是这个进程的参与者和建设者。
　　所以，我和年轻的科学家交流时经常说：我们现在已经来到了一个历史的节点上，我们的目标只有一个，就是要做出能与我们所处的这个时代、这个人类文明历史发展进程相匹配的科学成就。这是我们必须做到的，我相信也是我们一定能够完成的。
　　栏目主编：龚丹韵 文字编辑：徐蓓 题图来源：新华社 资料图 图片编辑：项建英