探索宇宙秘密的中國“神器”

付冰冰

2021年7月17日上午，上海臨港新城區(qū)，歷時五年建設、凝聚幾代人夢想與汗水的上海天文館正式開館。進入場館內部，“家園”“宇宙”“征程”三大常設展區(qū)通過模擬現實的方式分別為觀眾們留下了“我們是誰？我們在哪？我們要往何處去？”三個想象與探索的空間。在這座占地面積3.8萬平方米的全球最大天文館里，不同年齡段的參觀者們向星辰問路，向深空出發(fā)，在參觀中了解宇宙，探索未來。

“科學發(fā)展到現在，我們已經不滿足于只知道地球，要考慮地球以后怎么辦，天文能夠幫助大家解答這類問題。”94歲的中國科學院院士、中國科學院上海天文臺原臺長、3241號小行星冠名者葉叔華說。

開館當天下午，一場“飛向無盡的宇宙”天文高端國際會議吸引了眾多參觀者駐足，在這場由上海科技館和世界頂尖科學家協(xié)會上海中心聯合主辦的會議上，全球頂尖天文學家們在會上分享了各自研究領域的新發(fā)現與新成果。其中，2011年諾貝爾物理學獎得主、美國約翰斯·霍普金斯大學教授亞當·里斯分享了《宇宙膨脹測量的最新研究》，2019年諾貝爾物理學獎得主、劍橋大學卡文迪許實驗室教授迪迪?！た_茲分享了《宇宙中行星多樣性的發(fā)現》，來自中國的科學家則分別以“悟空”“天眼”“慧眼”等為例分享了近十年來中國天文界為世界作出的貢獻。

“悟空”：空間探測暗物質粒子面臨三大挑戰(zhàn)

2015年12月，甘肅酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功將“悟空”號暗物質粒子探測衛(wèi)星發(fā)射升空，這個名字取材于《西游記》的衛(wèi)星主體本身是伽馬射線望遠鏡，其分離度和能量分辨本領優(yōu)于西方國家。它肩負兩大任務：研究宇宙射線起源和傳播;通過對不同種類粒子的能量、方向、電荷等指標進行高分辨測量，探測暗物質粒子。

“宇宙的組成，人類只弄清了5%，萬有引力定律表明，還有95%是暗物質和暗能量?！敝袊茖W院院士、中科院國家天文臺臺長常進表示，暗物質和暗能量被認為是籠罩在21世紀物理學上空的兩朵新的烏云，對二者進行研究可以打開新的物理學大門。

如何探測暗物質？常進介紹了三種方法：第一種方法是在加速器上通過高能粒子碰撞探測暗物質粒子;第二種方法是在地下實驗室通過探測器用傳感器探測暗物質粒子和普通原子碰撞所產生的微弱信號;第三種方法是空間實驗。由于暗物質本身不可見，但是暗物質衰變時會產生看得見的粒子，通過看得見的粒子可以間接地探測看不見的暗物質粒子，“悟空”衛(wèi)星希望通過高溫電子和伽馬射線尋找暗物質產生的信號。

常進表示，由于宇宙射線粒子十分復雜，“悟空”衛(wèi)星面臨粒子鑒別、動感范圍、功耗有限三大技術挑戰(zhàn)，“‘悟空載天5年半，主要指標未發(fā)生變化，運行正常，我們希望‘悟空號將給我們帶來系列的重大成果?！?h3>“天眼”：中國天文從追趕到超越的成功嘗試

歷時22年跨世紀建設，銀灰色的“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）于2020年正式運行，直徑500米的它靜靜矗立在貴州平塘的群山之間，時刻記錄、識別來自宇宙的訊號。這只射電望遠鏡的球形反射面約有30個足球場大小，自2020年阿雷西博望遠鏡坍塌以來，它被全球天文學界視為搜索地外文明信號的唯一希望。今年4月1日，“天眼”宣布正式對全球科學界開放。

被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）。

“‘天眼是中國天文從追趕到超越的一次嘗試?！币压省爸袊煅邸惫こ痰陌l(fā)起者、奠基人南仁東曾這樣形容“天眼”。20世紀90年代，南仁東拒絕了國外高薪聘請，選擇扎根祖國。2015年確診肺癌后，他的學生、“中國天眼”首席科學家李菂接過衣缽，繼續(xù)推進工程如期開展。

“2017年10月，我們公布了第一批科學發(fā)現，通過‘天眼，我們看到了一顆新的射電脈沖星，周期是1.8秒，距離地球約1.6萬光年。2019年，我們通過‘天眼發(fā)現了第12顆脈沖星，它具有復雜的輻射現象，挑戰(zhàn)了旋轉木馬經典輻射途徑。”李菂介紹說，天文領域另一個熱門前沿是快速射電爆，它能在千分之一秒內釋放太陽一年的能量，FAST于2020年對其同樣進行了有效監(jiān)測。

“‘天眼不僅代表探索宇宙的雄心和決心，也反映了中國對全人類在科學領域方面的貢獻與作為。”李菂認為，正如他的老師南仁東所說，這個嘗試現在剛剛開始。

“慧眼”：到太空中閱讀宇宙的“來信”

宇宙中的天體爆炸會產生豐富的X射線，研究、觀察這類現象就需要使用X射線望遠鏡。由于X射線會被地球大氣層吸收，因此需發(fā)射衛(wèi)星到太空中去研究這類宇宙輻射。2018年，中國首顆X射線天文衛(wèi)星正式交付并投入使用，為紀念推動中國高能天體物理發(fā)展的已故科學家何澤慧，科研人員將其命名“慧眼”作為紀念。

“去年4月28日，我們看到兩個報道，美國和加拿大的射電天文望遠鏡分別發(fā)現了快速射電爆，方向來自銀河系里面一個中子星，但是誤差比較大。幸運的是，那時我們‘慧眼衛(wèi)星正在觀測一個異常中子星，所以我們就決定啟動‘慧眼衛(wèi)星，‘慧眼衛(wèi)星本質上是空間天文臺，我們可以根據需要指向任何一個地方。”

“慧眼”太空望遠鏡首席科學家、中科院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員張雙南介紹說，10個小時之后，加拿大和美國的射電望遠鏡發(fā)現了射電信號，而時間分辨率高、有效面積大、覆蓋能段寬、有效工作時間占比高的中國“慧眼”衛(wèi)星在它們的信號之前8.6秒就收到了強烈的X射線爆發(fā)。

張雙南介紹說，“慧眼”獨一無二地證明了X射線信號和射電信號是來自一個天體的爆炸。

“剩下的問題是這個天體到底是什么？好在‘慧眼衛(wèi)星有定位能力，我們又在圖像上把X射線爆發(fā)精確地確認下來。認證了X射線爆發(fā)和射電爆發(fā)的同一件事情都是來自中子星，這是人類第一次發(fā)現中子星可以做這件事情?！?/p>

地球是人類文明的搖籃，但人類不會永遠躺在搖籃里。以“悟空”“天眼”“慧眼”為代表的科技成果，正在為人類命運共同體的建設貢獻中國力量。