五年磨一剑
“天眼 ， 就是所见即所得 。 ”李菂开口的第一句话 ， 马上就把采访人员拉入对宇宙无垠的想象之中 。
“中国天眼”全称为“500米口径球面射电望远镜” ， 它是建在贵州省黔南州大窝凼的天文大科学装置 。 口径500米 ， 发射面积相当于30个标准足球场——“中国天眼”是如此之大 ， 如果在里面倒满矿泉水 ， 全世界70亿人平均每人可分4瓶 。 它能看多远？能看穿130多亿光年的区域 ， 接近宇宙边缘 。 目前 ， “中国天眼”是世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜 。
2011年起 ， 在大西南的山坳里 ， “中国天眼”团队一“钻”就是五年半 。
“多年来大家都住在板房里 ， 房子是漏风的 ， 也没有室内的热水和厕所 。 ”李菂回忆道 ， “我们冬天白天打完球 ， 一高兴忘记洗澡 ， 然后到了晚上就开始纠结 。 附近有一个洗澡间 ， 我们洗完澡急急忙忙往回跑 ， 跑到屋里脑袋上都结冰了 。 ”
条件虽然艰苦 ， 但是苦中带乐 。 李菂感叹说 ， 无论是访问学者、工程团队还是保安团队 ， 都保持着非常好的精神状态 。
作为大科学装置 ， “中国天眼”的造价是11.5亿元 ， “这是非常便宜的 ， 打个比方 ， 基本与在上海修一站地铁的成本相当 。 ”李菂说 。
“中国天眼”的下层是一个巨大的网兜 ， 由几千个11米的三角形织成 。 它的每一面都相当于一个天线 ， 用金属圆盘连接起来 ， 底下安装一个上下移动的触动器 ， 只要拉动不到一米的控制层 ， 可以从球面的部分变成抛物面的部分 ， 天体发出的电磁波信号遇到抛物面反射后会汇聚到焦点的位置 。
“这在几何概念上非常简单 ， 实时控制和测量却是难中之难 ， 怎么知道触动器的点走到哪一步呢？”李菂介绍 ， “中国天眼”团队在每一个装置上都绑了一个光学靶标 ， 光线从哪个方向进来 ， 就会从哪个方向反射回去 。 “有一天晚上 ， 现场没有一盏灯 ， 天上也没有星星 ， 我登上一个机墩 ， 就拿了一个手机打开闪光灯 ， 整个设备就像一个圣诞树闪闪发光 ， 那场景到现在都难以忘怀 。 ”
依靠光学的测量 ， “中国天眼”能够实时反馈到控制系统 ， 由几十万根光纤去控制触动器 。 同时 ， 以全新的轻型索驱动控制系统 ， 这让“瞳孔”馈源舱可以自如改变角度和位置 ， 更有效地收集、跟踪、监测更丰富的天体电磁波 ， 成为人类遥望星河的一个“窗口” 。
寻找宇宙的灯塔
5月6日 ， 中国科学院国家天文台一片欢腾 。 基于“中国天眼”的观测 ， 我国科学家首次找到了脉冲星三维速度与自转轴共线的证据 ， 有望深度揭示中子自旋的起源 。
脉冲星是大质量恒星死亡时超新星爆炸催生的中子星 。 正常情况下 ， 因为它自身的旋转不受外力影响 ， 脉冲星的自转极为规律 ， 从它身上发射出来的电磁波 ， 扫过天空的频率甚至比人类科技制造的巅峰——原子钟 ， 更为精确 。 这就好比是海岸边的灯塔 ， 在茫茫的宇宙中 ， 飞船在星际间穿梭时 ， 从脉冲星发出的规律信号 ， 可以像灯塔一样为星际航行指引方向 ， 科幻小说中屡屡描述的迷航问题自然迎刃而解 。
当然 ， 如果仅仅是为了星际航行时的航标 ， 科学家只需要寻找几十颗脉冲星就足够了 ， 大费周折地建造如此大的射电望远镜、日复一日望天意义何在呢？
李菂告诉采访人员 ， 作为宇宙中恒星生命的重要一环 ， 中子星和脉冲星两极发射的光束携带着大量恒星演化的重要信息 。 脉冲星由于其磁层而产生射电波束 ， 在这个超强的磁层中包含了极端相对论性带电粒子、极强的等离子体波和极强磁场的奇异混合物 ， 这种环境在其它的天体中不具备 ， 在地面也无法模拟 。 通过对其发射出来的电磁波的分析 ， 可以进行更深入的基础物理研究 。
“中国天眼”以其超高的灵敏度 ， 在很短的时间内就观测到世界上其它射电望远镜无法发现的脉冲星和天体物理现象 ， 它不仅首次探测到费米高能射电源 ， 还通过观测结果对物理学经典的“旋转木马”辐射模型提出了挑战 。 如今 ， 基于“中国天眼”数据发表的高水平论文已有70余篇 ， 所发现的脉冲星数量已超过300颗 ， 是同一时期国际上所有其它望远镜发现数量总和的3倍 。 中国科学家在天体物理走在了世界前列 ， 为人类了解宇宙深处的奥秘作出了卓越贡献 。
不仅如此 ， 在建设这台世界最大球面射电望远镜的过程中 ， 我国的机械工业、测绘地理信息技术、钢结构设计和工程施工等学科专业都获得了宝贵的经验 。 “我们已经聚集了一大批科学研究和工程建设人才 ， 这些都是无可限量的宝贵财富 。 ”李菂说 。
向无人深空进军
虽然科学家数百年来如一日不懈地探索太空 ， 但应该承认人类对于宇宙的认识依然是冰山一角 。 宇宙中有太多的未知、有无数的谜团需要我们一一去解开 。
人类最开始只是用眼睛观察星空 ， 为了看得更清楚一些 ， 科学家发明了光学望远镜并将望远镜造得越来越大越来越精密 ， 直到将它送到大气层之外 ， 闻名遐迩的哈勃空间望远镜就是代表之一 。 在了解到可见光只是电磁波谱中很小的一部分后 ， 科学家开始用射电望远镜来接收来自太空的信息 。
“‘中国天眼’发现的第一颗脉冲星距离地球1.6万光年 ， 每个脉冲是1.8秒 ， 所以我们‘看’到的是它1.6万年前的模样 。 这也开启了中国射电波段设备发现的新阶段 。 ”李菂说 。
“眨着眼睛的脉冲星”是“中国天眼”观测的代表成果 。 研究发现 ， 超行星爆炸会造成“电子屏” ， 如果后面有一个脉冲星 ， 它的光会被电子屏的遮挡所干扰 ， 所以亮度会产生变化 ， 好像星星在眨眼似的 。 科学家通过分析它变化的尺度 ， 能帮我们了解星球坍塌时的状态 。 “超行星爆炸时推动的这一下 ， 我们经常叫做‘在子宫里头被踢了一下’ ， 推动中子星以超过声速的速度往前走 。 通过测量 ， 我们第一次在三维空间上面得到 ， 自转的速度跟往前走的速度在一个方向 ， 这在现有的理论里很难解释 。 ”
另一方面 ， 宇宙大爆炸最初的氢元素除了形成恒星以外 ， 有很多以中性氢原子的方式存在 ， 它通过巡视分析中性氢的分布 ， 重现大爆炸后宇宙最初期的图景 ， 这是一个新的测量宇宙当中介质年龄的方法 。 李菂说 ， 目前“天眼”已经在观测银河系及近邻星系的中性氢 ， 更早期宇宙的中性氢辐射频率更低 ， 在“天眼”的设计范围之内 ， 只要换一台对应频率的接收机就可以探索更早期的宇宙 。
李菂表示 ， 目前团队面临的最大的挑战是来自大数据的挑战——“中国天眼”收集的数据已经超过普通硬盘能够读写的速度 ， “一晚上可以写满一台笔记本电脑” ， 基本在硬件能够正常运转的极限 。 所以团队还将跨学科协同多单位继续深入研究、让“中国天眼”变得更好 。
有理由相信 ， 随着“中国天眼”持续运转 ， 未来还将有新的天体、新的现象以及更多更新的发现在等待着我们 ， 这颗巨大的科学之眼还将进一步点燃人类探索宇宙未知地带的梦想 。
借用“人民科学家”“中国天眼之父”南仁东的话说 ， “中国天眼”是中国天文从追赶到超越的一次尝试 ， 这个尝试现在刚刚开始 。
【脉冲星|“天眼”窥星河】作者：何冬健
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