如果有一天地球要流浪，它就是宇宙中的燈塔

崔辰州

每次看關于FAST的短片，我的心情都難以平靜。有三個原因：第一個原因是緊張，每位來到這里的講者都有點緊張，我也是。

第二個原因是自豪，以國家天文臺為首的團隊已經(jīng)把FAST中國天眼打造成了我們的大國利器，我作為國家天文臺的一員，感覺真的很自豪。

第三個原因就是緬懷。2017年9月15日，基本上正好是兩年前，我們的南仁東老師，也就是中國天眼的總設計師、總工程師離開了我們。他1994年提出了要建設中國的大射電望遠鏡的設想，經(jīng)過了20多年的努力，把這個夢想變成了現(xiàn)實。南老師走了，他留給我們后人，留給我們這些晚輩同事們一筆寶貴財富，也留給了國家一個大國利器。

FAST真的很厲害，它是一個500米口徑的射電望遠鏡，是現(xiàn)在全世界最大的單天線射電望遠鏡，因為它最大，意味著它也最靈敏。有一個笑話說，如果說這口“鍋”裝滿了茅臺酒——因為它就在貴州——全世界的人每人可以分上四瓶，按照現(xiàn)在的市值來講，這值不少的錢。

FAST有很多技術(shù)創(chuàng)新。第一個創(chuàng)新就是它利用了貴州省喀斯特洼地這樣一個天然的“鍋”做臺址，給我們建造FAST節(jié)省了大量的成本。

第二個就是它這個鍋不是一個死的鍋，而是活的鍋。它創(chuàng)造性地利用主動反射面技術(shù)，讓FAST能夠在觀測時實時地變形，取得非常好的觀測效果。再有，在FAST建設過程中，我們?nèi)〉昧艘幌盗泄こ毯图夹g(shù)的創(chuàng)新。據(jù)我所知，在港珠澳大橋的建設過程中還應用了FAST研究的成果。

FAST在2016年初步建成，這兩年來FAST的工程團隊一直在試運行這個設備。我們知道，這樣一個復雜的系統(tǒng)，需要很長時間調(diào)試才能達到最佳狀態(tài)。但就是在調(diào)試過程中，它的觀測威力已經(jīng)凸顯了出來。到目前為止，F(xiàn)AST已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60多顆脈沖星。

大家可能不知道什么叫脈沖星，我給大家簡單介紹一下。脈沖星是上個世紀60年代首次被發(fā)現(xiàn)的。英國天文學家Hewish和他的研究生Bell一起在檢查射電望遠鏡觀測信號的時候，發(fā)現(xiàn)了周期性出現(xiàn)的脈沖信號。

他們很激動，以為找到了傳說中的“小綠人”。小綠人是什么？是一個科幻小說里面說到的火星人，或者說地外生命。結(jié)果讓他們失望了，他們又發(fā)現(xiàn)了多次周期性出現(xiàn)的脈沖信號。后來搞懂了，原來他們發(fā)現(xiàn)了一種新的天體，叫作脈沖星。

脈沖星其實是一種中子星。我們知道天上有很多恒星，恒星之所以發(fā)光發(fā)熱，是因為在它們的核心有一個巨大的核聚變反應堆，氫元素聚變成氦元素。當恒星這些燃料慢慢燒得差不多了，會爆炸開來，也就是說恒星會走向死亡。

不同質(zhì)量的恒星死亡、爆炸時留下的痕跡，或者叫作歸宿，是不一樣的。小質(zhì)量恒星爆炸后會變成一顆白矮星;中等質(zhì)量恒星爆炸，這個過程叫作超新星的爆發(fā)，之后會留下一顆中子星;大質(zhì)量的恒星爆炸，就會形成一個黑洞。

中子星是一個非常致密的天體。我們知道原子是由質(zhì)子和電子組成，把原子的質(zhì)子和電子壓在一起，就會形成中子。很多很多的中子組成一個中子星。大部分星體都是由中子組成的，那是一個非常致密的天體。

大家想象一下，這好比是我們把一個半的太陽壓縮到一個北京市的大小，這是一個何等的天體！難以想象。一個指甲頭大小的地方，也就是1立方厘米，它可以相當于一千艘萬噸巨輪。

有的中子星轉(zhuǎn)起來，一個十幾公里的星，每秒鐘能轉(zhuǎn)上千轉(zhuǎn)。你可以想象，如果說只是一個木頭球，或一個鐵球，十幾公里的球每秒鐘轉(zhuǎn)上千轉(zhuǎn)，它可能早已經(jīng)被它的離心力給瓦解了。中子星不會。這就給我們帶來了一個極端的物理條件下的實驗室。中子星有強引力，有強磁場。我們宇宙中有四種基本的力——引力、電磁力、強作用力和弱作用力。這個實驗室在我們地球上是沒有辦法人為模擬出來的。

中子星不單可以為科學研究提供這樣一個非常好的條件，還可以給社會、給我們?nèi)祟悗砗艽蟮膶嵱脙r值。這里我舉兩個例子，一個叫授時，一個叫導航。中子星的旋轉(zhuǎn)周期可以從秒到毫秒，它可以每秒鐘轉(zhuǎn)幾圈，也可以每秒轉(zhuǎn)上千圈，關鍵是它轉(zhuǎn)得非常穩(wěn)定，幾百年來、幾千年來都不會變。它的精確程度可以超過原子鐘，因此你可以把它當作一個表。

同時，它在宇宙中，在銀河系中，距離我們有幾十光年、幾百光年、幾千光年或者幾萬光年，可以說離我們非常遙遠;它又在旋轉(zhuǎn)，脈沖信號周期性地掃過地球。就像燈塔的光束會掃過船只一樣，我們把脈沖星比作“宇宙中的燈塔”，它可以指引我們做宇宙航行。

到目前為止，天文學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2700多個脈沖星，F(xiàn)AST兩年間就發(fā)現(xiàn)了60多顆?？梢哉f，隨著FAST進入到科學觀測之后，我們會有更多的期待。

現(xiàn)在FAST就正在開展19波束多科學目標同時巡天的項目。

一個波束，大家可以理解成是一雙眼睛。以往我們的望遠鏡基本上只有一個波束，或者說只有一雙眼睛在看，而FAST可以說是19雙眼睛同時在看，因此它巡天觀測的效率大大提升了。FAST有望在有限的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)上千顆脈沖星，數(shù)量可以超過我們過去幾十年發(fā)現(xiàn)的成果。

脈沖星的信號從幾萬光年之外傳到地球上，其間并不是坦途一片，或者說宇宙中并不是真空，有很多星際的塵埃，有很多的介質(zhì)。電磁波也是一種粒子，這些粒子在穿越星際塵埃的時候會發(fā)生色散。高頻一點的電磁波會快一點到達地球，低頻的信號會稍稍慢一點，相當于把原來同時產(chǎn)生的信號在時間上來了一個錯位。

但同時電磁波再到地球的時候，這些信號又受到了很多人為干擾，比如手機基站，我們的飛機、衛(wèi)星，都會對這些射電信號形成干擾。因此，F(xiàn)AST或者射電望遠鏡最后得到的是一個被污染了的信號。

天文學家要去研究脈沖星，研究它的旋轉(zhuǎn)周期等物理特征，我們就要復原這些信號，要還原這些信號的本來面目，就要把剛才受到的那些干擾去掉。同時，因為我們不知道信號在傳過來的過程中到底經(jīng)過了哪些過程，因此它的色散的量我們是不知道的，我們要猜，要揣測它的值，最終確定脈沖星旋轉(zhuǎn)的周期是多少。

這個過程不是那么簡單的。以FAST為例，F(xiàn)AST每月會產(chǎn)生300萬需要猜測周期的候選體。以往我們的脈沖星搜尋基本上靠人工，但是現(xiàn)在隨著FAST有了這么強大的觀測能力，300萬張圖單靠人工是完全不可能了，因此我們就寄希望于現(xiàn)代的信息技術(shù)，包括現(xiàn)在非常時髦的AI人工智能。

世界上還有更多的利器。這些望遠鏡，這些重大的觀測設施，每天都在產(chǎn)生海量的天文數(shù)據(jù)。天文數(shù)據(jù)是科學研究的寶貴財富，因此要建立一個強大的數(shù)據(jù)中心。

天文學是觀測的科學。國家天文科學數(shù)據(jù)中心是我們國家公布的第一批國家級的科學數(shù)據(jù)中心。我們可以說國家數(shù)據(jù)中心就像是一個數(shù)據(jù)中臺，它把數(shù)據(jù)全都聚集在了一起。我們要進一步發(fā)揮這些數(shù)據(jù)的價值，給天文學家用，給公眾用，向社會開放，那我們就需要一個更好的業(yè)務中臺，這就是虛擬天文臺。

虛擬天文臺就是要把先進的信息技術(shù)應用到天文學，打造一個網(wǎng)絡化的科學研究、科普教育平臺;把這些數(shù)據(jù)開放出去，以全世界的觀測數(shù)據(jù)打造成一個數(shù)字宇宙。

今天的主題是脈沖星。“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，我們存在于銀河系中，有很長一段時間，我們都不知道銀河系是什么樣子，我們在銀河系里面處在什么方位。經(jīng)過了很長時間的努力，我們終于搞清楚了。它是一個旋渦星系，太陽系帶著地球、火星等小兄弟，一起在第二個旋臂上邊緣的地方游蕩。這就是我們在銀河系中的位置。

脈沖星是我們宇宙中的燈塔，人類要發(fā)展，文明要持續(xù)。也許以后我們會流浪，我們流浪到太空，怎么去識別方向？脈沖星可以為我們導航。但如果我們迷失了方向，怎么辦？脈沖星還可以幫助我們找到回家的路。

（摘自《看天下》2019年第28期）