FAST首次探測(cè)到中性氫

李強(qiáng) 李明月

說(shuō)到天文，我們不禁會(huì)想到位于我國(guó)貴州省的目前世界上口徑最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。國(guó)家花了那么多錢造了一口“鍋”，它能做些什么呢？之所以花費(fèi)巨資建造FAST，是因?yàn)樾枰瓿上鄳?yīng)的科學(xué)目標(biāo)。FAST的科學(xué)目標(biāo)中包含了脈沖星的搜尋與中性氫的觀測(cè)。很多人可能對(duì)脈沖星稍有所了解，但是提到中性氫就不知所以了。

?中性氫譜線是什么

對(duì)于歷史悠久的天文學(xué)而言，射電天文使用的是一種嶄新的手段，為天文學(xué)開拓了新的園地。20世紀(jì)60年代，射電天文學(xué)有四大發(fā)現(xiàn)：類星體、宇宙微波背景輻射、脈沖星和分子譜線。分子譜線是分子不同能級(jí)之間躍遷產(chǎn)生的，而中性氫譜線是由氫原子能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生的，它們都屬于譜線。

天文學(xué)中提到的探測(cè)到中性氫，指的就是觀測(cè)到氫原子的譜線，也即“中性氫譜線”。它實(shí)際上是基態(tài)氫原子的電子自旋和核自旋耦合產(chǎn)生的能級(jí)分裂對(duì)應(yīng)的譜線，是基態(tài)能級(jí)更精細(xì)的結(jié)構(gòu)之間的躍遷。這個(gè)躍遷所產(chǎn)生的波長(zhǎng)是21厘米，因此有時(shí)候人們也稱其為“射電21厘米譜線”。

21厘米譜線的發(fā)現(xiàn)還有一段小插曲：其他的譜線都是先在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)到的，而21厘米譜線卻是理論預(yù)言的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)物理學(xué)家在射電波段只看到了連續(xù)譜，卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)譜線的存在。荷蘭天文學(xué)家亨德里克·范德胡斯特的導(dǎo)師給他提出了一個(gè)難題：能不能從理論上在射電波段找到一個(gè)譜線？之后，亨德里克·范德胡斯特還真的去尋找當(dāng)時(shí)沒(méi)有考慮到的效應(yīng)，同時(shí)，他還想到了在氫原子核中質(zhì)子和電子之間的相互作用能夠引發(fā)21厘米譜線。對(duì)于他所做的這個(gè)理論預(yù)言，大家都很興奮，他所在的課題組也開始在實(shí)驗(yàn)中尋找這個(gè)譜線。當(dāng)然，在實(shí)驗(yàn)室中是看不到21厘米譜線的，因?yàn)檫@個(gè)躍遷的可能性是非常小的，在沒(méi)有外界干擾的情況下，大約1千萬(wàn)年才會(huì)發(fā)生一次輻射。那他們?cè)撛趺崔k呢？沒(méi)關(guān)系，地面上看不到，可以去天上看。為此，亨德里克·范德胡斯特首先提出可以在銀河系中觀測(cè)星際氫原子的這條21厘米譜線。宇宙中最豐富的就是氫原子（宇宙中氫元素的比例為70%），即使很小的一片區(qū)域也包含了數(shù)量足夠巨大的氫原子。因此，盡管單個(gè)的氫原子躍遷概率極低，但豐富的數(shù)量仍然使人們能夠接收到可觀的輻射信號(hào)。遺憾的是，可能由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)還不夠好，或是其他的一些什么原因，最終他們無(wú)功而返，以致后來(lái)不了了之。但是經(jīng)過(guò)幾年的努力，在1951年，美國(guó)、荷蘭、澳大利亞的天文學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)觀測(cè)到了這一重要的譜線。

射電21 厘米譜線的產(chǎn)生

中性氫譜線的重要性

那么，中性氫的21厘米譜線為什么如此重要呢？又有哪些特殊之處值得列入FAST最重要的科學(xué)目標(biāo)之一？

在FAST之前，阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)中性氫進(jìn)行了觀測(cè)，并找到了數(shù)萬(wàn)個(gè)中性氫星系。而綠岸射電天文望遠(yuǎn)鏡（GBT）則對(duì)星系間的中性氫進(jìn)行了觀測(cè)。此外，埃菲爾斯伯格射電望遠(yuǎn)鏡和帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡共同完成了迄今最精確的全天中性氫觀測(cè)。國(guó)外這些大型望遠(yuǎn)鏡相繼都做了中性氫的觀測(cè)，從這個(gè)方面也足以體現(xiàn)其重要性。當(dāng)然，主要原因是由于中性氫研究是天體物理研究中的一個(gè)重要基礎(chǔ)。

縱觀望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展史，不難發(fā)現(xiàn)，射電望遠(yuǎn)鏡的口徑越來(lái)越大。那么，人們?yōu)槭裁匆焉潆娡h(yuǎn)鏡的口徑做得大一些，更大一些呢？這是因?yàn)橥h(yuǎn)鏡的口徑越大，分辨率就越高，也就能看得更細(xì)致或者更遠(yuǎn)。作為目前全世界最大口徑的單天線望遠(yuǎn)鏡，往近處說(shuō)，F(xiàn)AST能對(duì)銀河系內(nèi)的中性氫進(jìn)行更細(xì)致的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)星際介質(zhì)中更多的細(xì)節(jié)，特別是銀河系旋臂的結(jié)構(gòu)。對(duì)于遙遠(yuǎn)的星系，當(dāng)然也更有希望分辨出來(lái)。

宇宙中有數(shù)以億計(jì)的星系，人們朝向天空中某一方向觀測(cè)的時(shí)候，在觀測(cè)的方向上，如此多的星系總有那么幾個(gè)會(huì)重疊在一起。那么，人們又是怎樣把某個(gè)方向上觀測(cè)到的重疊在一起的星系區(qū)分開的？如何確定接收到的信號(hào)是單個(gè)星系的，而不是這個(gè)方向上不同距離多個(gè)星系信號(hào)的混雜？這里，我們就不得不提到多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)說(shuō)明：觀測(cè)者接收到的信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)波長(zhǎng)，隨信號(hào)源和觀測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。也就是說(shuō)，如果信號(hào)源朝著遠(yuǎn)離我們的方向運(yùn)動(dòng)，那么我們接收到的信號(hào)比信號(hào)源靜止時(shí)發(fā)出的波長(zhǎng)更長(zhǎng)或者頻率更低（這種現(xiàn)象稱為“紅移”）。反之，如果信號(hào)源朝向我們運(yùn)動(dòng)，那么我們接收到的信號(hào)比信號(hào)源靜止時(shí)發(fā)出的波長(zhǎng)更短或者頻率更高（這種現(xiàn)象稱為“藍(lán)移”）。

幸運(yùn)的是，我們的宇宙處于不斷膨脹的過(guò)程中，膨脹的宇宙使得距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度就越快，當(dāng)然它所發(fā)出的信號(hào)紅移也就越大。同時(shí)，紅移也反映了時(shí)間的概念。我們接收的天體的信息主要是電磁波信號(hào)，然而電磁波的速度有限（光速），有限的速度傳播一定的距離就需要時(shí)間。相應(yīng)的，距離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系發(fā)出的信號(hào)傳播到地球所需要的時(shí)間也就越長(zhǎng)。也就是說(shuō)，我們當(dāng)前接收到的信號(hào)如果來(lái)自越遠(yuǎn)的星系，那么這個(gè)信號(hào)的發(fā)出時(shí)間就越早。總而言之，就是紅移越大的信號(hào)源離我們?cè)竭h(yuǎn)，并且我們接收到的紅移大的信號(hào)是更早時(shí)期發(fā)出的。利用這個(gè)現(xiàn)象，人們就可以采取用空間換取時(shí)間的方法，來(lái)了解更早時(shí)期的天體的形成與演化。

相比之前的中性氫觀測(cè)，F(xiàn)AST的高分辨率和較寬的帶寬可以找到更多、更遠(yuǎn)的中性氫星系，使我們了解質(zhì)量更小的中性氫星系的性質(zhì)。

暗物質(zhì)的奧秘

在天文學(xué)研究領(lǐng)域，最前沿的莫過(guò)于“兩暗一黑三起源”。其中的“兩暗”是指人們熟知而又神秘的暗物質(zhì)與暗能量。暗物質(zhì)之所以被稱作“暗物質(zhì)”，是因?yàn)橐阅壳叭藗兊挠^測(cè)手段不能直接觀測(cè)到，但是它確確實(shí)實(shí)是存在的，并且可以證明它的存在。

我們的太陽(yáng)系位于銀河系中，而銀河系是一個(gè)漩渦星系。當(dāng)然，宇宙中也存在許多與銀河系結(jié)構(gòu)類似的漩渦星系。漩渦星系主要的一個(gè)特征就是有一個(gè)明顯的扁盤狀結(jié)構(gòu)，處于盤狀結(jié)構(gòu)中的天體圍繞盤的中心做圓軌道運(yùn)動(dòng)。我們的太陽(yáng)系圍繞銀心同樣在做圓軌道運(yùn)動(dòng)。圓軌道運(yùn)動(dòng)滿足開普勒運(yùn)動(dòng)的軌道速度分布，也就是距離圓心越遠(yuǎn)，速度應(yīng)該越慢。我們的太陽(yáng)系中的行星圍繞太陽(yáng)就是做圓軌道運(yùn)動(dòng)，并且距離太陽(yáng)越遠(yuǎn)的行星速度越慢，這很好地符合了軌道速度分布原理。然而，研究者通過(guò)天文觀測(cè)卻發(fā)現(xiàn)：在較遠(yuǎn)離銀心的位置，天體圍繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)的速度與天體到銀心的距離無(wú)關(guān)，也就是速度基本不變。這樣觀測(cè)與理論就不相符了，那么問(wèn)題出現(xiàn)在哪兒呢？

在整個(gè)計(jì)算中，理論是沒(méi)有問(wèn)題的，是經(jīng)過(guò)幾百年實(shí)踐檢驗(yàn)過(guò)的。那問(wèn)題只能出現(xiàn)在“觀測(cè)”中。根據(jù)觀測(cè)，人們發(fā)現(xiàn)發(fā)光的物質(zhì)主要集中在銀河系中心，也就是人們看到銀河系的質(zhì)量主要集中在銀心（這與太陽(yáng)系的質(zhì)量主要集中在太陽(yáng)相類似）。理論與觀測(cè)的矛盾說(shuō)明，銀河系的質(zhì)量并不是如觀測(cè)到的那樣主要集中在銀心。換言之，就是我們目前在銀河系中看到的發(fā)光的物質(zhì)（這里的發(fā)光物質(zhì)代表電磁波所有波段觀測(cè)到的物質(zhì)，不僅僅是光學(xué)可見(jiàn)的），不是銀河系的全部物質(zhì)，一定存在我們尚未觀測(cè)到的物質(zhì)。這些物質(zhì)分布在一個(gè)比星系可見(jiàn)部分更大的范圍，人們把這種看不見(jiàn)的物質(zhì)稱為“暗物質(zhì)”。反觀這種軌道速度分布也直接證明了暗物質(zhì)的存在。

星系旋轉(zhuǎn)曲線圖

發(fā)光物質(zhì)與暗物質(zhì)不同的分布，是暗物質(zhì)粒子與人們所認(rèn)識(shí)的常規(guī)粒子之間性質(zhì)的差異所造成的。中性氫是在星系中分布最延展的重子物質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過(guò)中性氫觀測(cè)測(cè)定星系旋轉(zhuǎn)曲線，人們可以間接探測(cè)暗物質(zhì)的分布。不同的暗物質(zhì)模型預(yù)言的暗物質(zhì)分布不同。FAST更大的口徑能測(cè)定更多、更好的近鄰星系旋轉(zhuǎn)曲線，為人們提供更多的樣本和質(zhì)量更好的數(shù)據(jù)。對(duì)星系中暗物質(zhì)分布的精確測(cè)量，使得人們對(duì)暗物質(zhì)模型給出更好的限制，從而能對(duì)暗物質(zhì)有更多的認(rèn)識(shí)。

FAST建成調(diào)試并開始運(yùn)行后，其超凡的靈敏度正在宇宙射電探測(cè)中發(fā)揮重要作用。2020年6月，在FAST公開發(fā)表的觀測(cè)結(jié)果中，首次明確探測(cè)到銀河系外的星系（河外星系）的中性氫發(fā)射線。在此次觀測(cè)過(guò)程中，F(xiàn)AST僅用5分鐘曝光時(shí)間就探測(cè)到河外星系的中性氫信號(hào)，向人們展示出其高靈敏度、高效率的探測(cè)能力。作為FAST的科學(xué)目標(biāo)之一，對(duì)中性氫的觀測(cè)不僅僅會(huì)讓人們進(jìn)一步了解銀河系乃至整個(gè)宇宙，更是對(duì)FAST技術(shù)的肯定，對(duì)那些在FAST建立過(guò)程中默默付出的工作者的認(rèn)可。