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中国「天眼」向全球开放,科学家能找到外星文明吗?

2021-01-18 11:33:30

地球是人类的摇篮,但是人类不能永远生活在摇篮里。—— 康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基(苏联科学家,现代航天学和火箭理论的奠基人,航天之父)

中国贵州,一只硕大无比的「天眼」,正静静躺在黔南布依族苗族自治州的喀斯特洼坑中,好奇地打量着宇宙。

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▲ 500 米口径球面射电望远镜中国「天眼」. 图片来自:新华网

它是个四岁多的娃娃,却有着强大的「躯体」,由主动反射面系统、馈源支撑系统、测量与控制系统、接收机与终端及观测基地等几大部分构成,是一台 500 米口径球面射电望远镜,面积相当于 30 个标准的足球场。

它的爸爸是中国天文学家南仁东先生。1994 年,南仁东先生提出建设构想。历时 22 年,「天眼」于 2016 年 9 月 25 日落成启用,是具有我国自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。

日前,中国向世界宣布,「天眼」将于 2021 年 4 月 1 日正式对全球科学界开放,为人类外空命运共同体提供贡献和发展经验

这只眼睛能看什么?

眼睛,当然是用来看「光」的。

人类之所以能看到东西,是因为电磁波进入了我们的眼睛,而可见光,就是电磁波里很小的一部分波段。

同时,还有很多波段的电磁波仅凭肉眼看不到,这些电磁波携带了大量信息,其中涵盖了大量极其重要的天文研究对象,比如射电星系、类星体、脉冲星和宇宙微波背景辐射等等,这就需要借助「天眼」一类的射电望远镜来接收、分析这些信号。

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▲ 可见光只占电磁波里很小一部分. 图片来自:维基百科

「天眼」工程总工程师兼首席科学家南仁东介绍,借助「天眼」,人类可以做很多事:

  1. 可以将中性氢观测延伸至宇宙边缘,观测暗物质和暗能量,寻找第一代天体
  2. 能用一年时间发现约 7000 颗脉冲星,研究极端状态下的物质结构与物理规律
  3. 有希望发现奇异星和夸克星物质
  4. 发现中子星 —— 黑洞双星,无需依赖模型精确测定黑洞质量
  5. 通过精确测定脉冲星到达时间来检测引力波
  6. 作为最大的台站加入国际甚长基线网,为天体超精细结构成像
  7. 可能发现高红移的巨脉泽星系,实现银河系外第一个甲醇超脉泽的观测突破
  8. 用于搜寻识别可能的星际通讯信号,寻找地外文明

睁眼看宇宙,成果有几何?

在宣布向全球科学家开放前,「天眼」已投入运行几年,成果颇丰。

2017 年 10 月,「天眼」发现 2 颗新的脉冲星,一个脉冲星距离地球 1.6 万光年,自转周期为 1.83 秒,被命名为 J1859-01。另一颗距离地球约 0.41 万光年,自转周期为 0.50 秒,命名为:J1931-01。

2017 年 12 月,「天眼」再次发现 3 颗脉冲星。截至目前,「天眼」共发现了超过 240 颗脉冲星。「天眼」在短短两年内发现脉冲星数量,超过同期欧美多个脉冲星搜索团队发现的数量总和。

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▲ 脉冲星假想图. 图片来自:天文在线

2020 年,4 篇论文同时在著名学术期刊《自然》上发表,发现并论证了一个河内快速射电暴 FRB 200428 起源于磁星 SGR 1935+2154,为「快速射电暴源于磁星」这一理论猜测增添了有力的证据。其中一篇论文正是基于「天眼」的观测成果。

天眼的意义在哪里?

2020 年 4 月,「天眼」观测时间分配委员会开始向国内天文界征集自由申请项目,半年多来接到 170 余份申请,申请的总时间约 5500 个小时,实际批准 1500 个机时,只有 30% 能得到支持,竞争相当激烈。

2021 年 1 月,中国宣布「天眼」向全球科学家开放后,在科学界引起了热议,许多国家的科研团队和科学家立即发出了申请,但最终中国只能尽量腾出约 10% 的观测时间用于共享。

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由此可见,「天眼」的意义有多么重大。而它之所以含金量如此高,是因为它的观测数据是人类迈入太空更深处的基础。

1. 绘制宇宙精确「地图」

细心的你应该发现了,脉冲星这个关键词出现了很多次。在说它前,我们先来说说航海。

如果你开着一艘船在茫茫大海上航行,没有地图,没有指南针,没有定位系统,能不能到达目的地只能靠运气。

但如果你有一个定位系统,一切都变得格外轻松,你知道航线是怎么样的,目前自己在哪个位置,接下来要精确地往哪里航行等等。

想象一下,如果你开着一艘恒星级飞船,从太阳系出发,到 4 光年外的另一颗恒星系去,能靠什么定位?

没有办法精准定位。

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▲ 和平面导航不同,太空导航没有东西南北上下之分. 图片来自:Guillermo Ferla(Unsplash)

太阳不过是宇宙亿万恒星中普通得不能再普通的一颗星星,仅靠太阳定位的后果只有一个,你会永远迷失在宇宙中。

「天眼」重点观测和寻找的脉冲星,就是目前已知最好的宇宙级定位参照物。

正如地球有磁场一样,恒星也有磁场;也正如地球在自转一样,恒星也都在自转着;还跟地球一样,恒星的磁场方向不一定跟自转轴在同一直线上。这样,每当恒星自转一周,它的磁场就会在空间划一个圆,而且可能扫过地球一次……要发出像脉冲星那样的射电信号,需要很强的磁场。而只有体积越小、质量越大的恒星,它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星,只有高速旋转的中子星,才可能扮演脉冲星的角色。

地球自转一周要二十四小时,脉冲星的自转周期却可以小到 0.0014 秒,于是它的超强磁场发射出周期性脉冲信号,看上去就像高速一闪一闪的灯塔,由于自转周期极其稳定,成为人类测量宇宙时空的超高精准度时钟。

▲ 脉冲星高速自转,超强磁场发射出周期性脉冲信号,成为「宇宙灯塔」. 图片来自:维基百科

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▲ 蟹状星云脉冲星的 X 射线/可见光波段合成图像. 图片来自:维基百科

如果飞船进入了宇宙深处,望远镜和卫星不能直接观测时,就可以依靠脉冲星测算位置,探明的脉冲星数量越多,定位将越准确。

这就是「天眼」重大的意义之一,它正在绘制宇宙精确地图,虽然只是一个小小的开始,但影响足够深远。

2. 探索宇宙起源

人类自开蒙以来,一直在思考一个问题:我们从哪里来。「天眼」就有助于探索这个问题。

「天眼」可以巡视宇宙中的中性氢。氢聚变产生的能量点亮了恒星,太阳因此发出了光和热,造就了地球这个人类生命的摇篮。

星系中的氢元素除了形成恒星,还有一部分会剩下来,以中性氢原子形式存在,称之为中性氢。

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▲ 科学家绘制的宇宙中性氢地图. 图片来自:Rose Latoz(SCINEWS

通过对比较原始的星际气体的观测发现,在银河系和许多河外星系中,轻元素氦的同位素氘相对于氢的数量基本上是均匀分布的。这和许多重元素的非均匀分布形成了鲜明的对照。

据科学家推测,宇宙大爆炸后最初几分钟内预期出现的高温高密状态极易导致轻元素的合成,而重元素则是在众多的恒星内核深处合成,直到发生超新星爆发时才大量散布开来的,它们相对于氢的数量不会是均匀分布的。

国家天文台副台长郑晓年指出,研究宇宙中的中性氢可以「研究宇宙大尺度物理学,以探索宇宙起源和演化」。

3. 探索地外文明

小说《三体》中,三体人用二维展开的质子包住地球,伪造了宇宙背景微波辐射的闪烁,以此向人类证明存在地外文明且科技水平远超人类。

「天眼」就能观测到宇宙微波背景辐射,但是宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸的产物,太杂太乱。

根据宇宙大爆炸理论,最初的宇宙非常小,聚集着极高密度的物质和能量,温度非常高。宇宙大爆炸后,即便空间膨胀了非常久,当年的热量也不会完全消散掉,还有残留的热量,均匀地分布在整个宇宙中,就是宇宙微波背景辐射。

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▲ 宇宙大爆炸假想图. 图片来自:维基百科

「天眼」要做的,就是从海量杂乱的宇宙微波背景辐射中,甄别筛选出暂时不符合科学认知的、奇异的、无规律的、明显加工过的信号,看看这些信号是否由地外文明发出,以此间接推测地外文明的存在。

2019 年初,加拿大 CHIME 望远镜团队宣布第二次发现重复的快速射电暴(FRB)。当时有天文学家指出,虽然暂时无法确认这种现象的成因,但并不能排除这种信号是由地外文明所发出的可能性。

地球很好,为什么还要探索宇宙?

人类如果决定深入宇宙继续进化,这种难度不亚于当年我们的祖先从海洋爬上陆地,一步踏错,可能遭致灭顶之灾。

但如果不踏出这一步,人类将永远失去更进一步的可能,就像我们祖先当年一样。

人类进入文明社会以来,资源矛盾一直是不断催生经济危机和引发战争的根本原因,每次技术爆炸都是在不断释放资源的潜力,不过资源总有开发利用的极限,再加上人类数量、寿命和人均资源消耗仍在不断提升,资源紧张带来的危机只会一次比一次快,一次比一次深。

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▲ 诺曼底登陆. 图片来自:维基百科

爱因斯坦曾预言,第四次世界大战的武器将是石头,可见缓解资源矛盾的迫切性和重要性。

目前探明,光是月球一个卫星,都有极为丰富的矿产资源和大量的氦 3,通过利用氘和氦 3 可进行氦聚变,作为核电站的能源。

因此,向宇宙深处进发是人类的必然选择,大量资源正等待人类挖掘,借助「天眼」,我们可以打好前期基础,让后人走得更远。

题图来源:新华网

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