本文内容来自北京市科学技术协会主办、北京科学中心承办、北京科技报社协办的首都科学讲堂。讲堂每周邀请院士专家开讲，传播科学知识、科学方法，弘扬科学精神、科学文化，促使公众全面、正确理解科学。

今年正逢“中国天眼”落成六周年，作为目前全球最大单口径、最灵敏的射电望远镜，“中国天眼”不仅极大推动了我国在天文领域基础研究与科研攻关的步伐，还催生了一系列具有国际影响力的科学产出。那么“中国天眼”的工作原理是什么？它所代表的射电天文学经历了怎样的发展历程？“中国天眼”背后又有哪些鲜为人知的故事？

本期首都科学讲堂邀请中国科学院国家天文台研究员、“中国天眼”FAST首席科学家，为公众解读这座仰望苍穹的观天巨目。

主讲嘉宾：

李菂

中国科学院国家天文台研究员，“中国天眼”FAST首席科学家

射电天文学的起源

FAST是“500米口径球面射电望远镜”的英文简写，一个所见即所得的名字。“中国天眼”FAST这口直径500米的“大锅”是能够透光透风和透水的，其实这口“锅”有超过一半的面积都是空洞。这些空洞足够小，远小于工作频段的无线电波波长，所以它依然是一个高效的反射面——这是一个独具匠心的科学工程设计概念。

我们有必要将“中国天眼”放在人类整个深空探索的历史中去讲述。回溯历史，作为一门既古老又现代的学科，天文学在进入21世纪后，开始越来越多地融入到物理学领域中。特别是最近几年，数届诺贝尔物理学奖颁给了天文学领域相关的研究。而这种趋势，实际上是始于20世纪中期，随着“冷战”的开始，工业与军事技术非常深度地融入到属于纯基础研究的太空探索当中。

现代物理学和现代天文学的起源都可以追溯到一个人：伽利略，他给现代科学贡献了基于直接观测而产生的重要发现和原理性思考。与他同时代的开普勒终其一生都在试图构建基于正多面体的宇宙模型，尽管最终一无所获，但他却获得了老师第谷遗留的当时世界上最精确的太阳系行星运行轨迹和位置，从而总结出著名的开普勒三大定律——直接推动了现代物理学的建立。

天体遥不可及，太空探索无法像在地面上一样做各种触手可及的物理实验，这就要借助电磁场。电磁学最早可以追溯到美国人本杰明·富兰克林，他做了一系列早期电学实验，并试图去描述自然界中神奇的电磁现象。而这些实验的集大成者是法拉第，我们在中学物理课本上就学过他做的电磁感应研究，虽然这在今天已经成为我们常识的一部分，但如果回过头去看，这个实验还是足以令人惊愕的——磁铁和线圈没有任何物理接触就产生了跨距离的作用！这直接推动了“场”概念的建立，即在自然界，除了我们能够用肉眼看到，用手触摸感知到的物体，还有着“场”这种非常实在的存在。它可以用来描述引力，也可以用来描述电磁场。

▲麦克斯韦创立的方程组，对电磁场进行了数学表述(图片来源：enlightenedcrowd.org)

后来麦克斯韦创立的方程组，对电磁场进行了数学表述。麦克斯韦创新性地引入“位移电流”这一概念，预言电磁转换以光速来传播——这就将太空发光的星体、大气层中的闪电这些“来自天堂的光”和“尘世中的电”统一在了一起。后来的海因里希·赫兹则通过自制的天线发射设备和感应线圈，证明了可以快速传播的电磁场的存在。我们直到今天还在用赫兹这个名字作为电磁场振动频率的单位，一个赫兹就是这个场一秒钟振荡一次。我们通信所用的频段，通常是用“几个G”来表示。G赫兹频段，就是一秒钟要振荡10亿次，这就是我们现在常说的无线电频段。

借助这个频段作为探测手段去看太空的这一想法，则要追溯到20世纪早期，一位是央斯基，一位是格罗特·雷伯。他们真正代表人类发现了来自太空的无线电辐射。这一发现被当时的天文学界忽视了！将无线电作为探测手段系统研究宇宙，要等到另一项重要的发现之后，即发现宇宙物质的组成成分——原子氢气。宇宙大爆炸之后，随着能量密度的下降，能量不断转化成物质，而物质最简单也是最丰富的原子形式，就是氢，它只有一个原子核和一个电子，在大爆炸后相当长的时期里，原子氢气是宇宙中绝对主导的成分。随着宇宙继续膨胀，形成了各种各样的结构，比如恒星、星系乃至黑洞，最终演变成我们今天丰富多彩的宇宙。现代射电天文学的全面发展，由发现原子氢气这一宇宙物质主要成分的里程碑发端，帮助人类揭示各种天体的起源。

原子氢气：揭秘宇宙的起源

即使到了今天，原子氢气质量的总和，也是要远远超过人类肉眼所能观测到的所有恒星与星系的质量总和。人类显然无法在这种极遥远的尺度上，借助化学方法或者探针设备这类常规手段去直接探测这些原子氢气。最终到了上世纪40年代中期，荷兰天文学界范德胡斯特用当时相对成熟的量子力学理论预言道：氢原子中电子与原子核的相互作用能产生一个能级差，并释放一个光子。这种相互作用，就是超精细结构（指导致原子、分子和离子的能级造成细微变化和分裂的一系列效应）的一个辐射，所产生的能量是相对低的，其对应的波长是21厘米，相当于一个篮球或西瓜大小。而这一波长在对应的无线电波段是1.4个G赫兹，即一秒钟该电磁场要反复振荡14亿次。

▲暮年的埃文与他当年搭建的无线电望远镜天线部件合影（图片来源：美国绿岸天文台）

真正用实验去证明这个预言的，是哈佛大学物理系的研究生埃文。他搭建了一个非常粗糙的无线电望远镜，在后端发展了非常重要和创新的无线电技术，比如我们至今仍在使用的频率切换。无线电探测手段，不仅能探测辐射的强度，还能探测其相对我们运动的速度。范德胡斯特和埃文的发现，使人类得以窥见宇宙物质最主要的组成部分及其动力学性质。值得一提的是埃文搭建的实验设备非常便宜，整个预算不超过500美元。

50年代后，射电天文学这个学科才正式出现，除了哈佛大学开始设立博士点外，其他研究单位也开始建立自己的射电研究设备。而这主要得益于美国二战期间军事实验室留下的大量剩余设备，埃文本人则是以极为低廉的价格从一个濒临倒闭的无线电实验室获取各种部件。这也让心灵手巧的埃文能用区区500美元就搭建了这样一个世界最前沿的观测装置。

▲大气对不同波段电磁波的不透明度（图片来源：美国国家航空航天局）

大气层对于无线电的遮挡程度实际上是有限的，对于10米波长内的信号而言，大气层存在3-4个数量级的窗口，是完全透明的。这也就是我们人类最常用的通信频段，因此在遇到刮风下雨时，我们的手机依然可以正常使用。而在这个频段，原子氢气所对应的特征频率就是1.4G赫兹，以及21厘米波长。这就使得射电望远镜能够看向宇宙。

▲美国国家射电天文台所使用的L波段巨型馈源（图片来源：美国国家射电天文台）

射电望远镜的外形千奇百怪，但其基本组成就只有三个部分：首先是天线，负责收光。其次是馈源，负责采集聚焦后的电磁场信号。最后是终端，负责提取科学家所需的信息。其实，普通的通信基站、卫星电视天线，甚至手机本身，都可以看成一个射电望远镜，不过这取决于这些设备要看到什么与把看到的处理成什么。对于普通人而言，终端设备将这些信号处理成短视频等形式，对于天文学家来说，则将其处理成宇宙物质的氢气信号。

横空出世的阿雷西博望远镜

从50年代射电天文学这一学科正式出现以来，全世界的天文学家就开始着手搭建自己的观测设备。但这些设备的口径基本就是20-30米。而阿雷西博射电望远镜的横空出世，则将口径跃升到了300米级别， 跳跃性地拓展了人类探测宇宙的精度与深度。但这个项目最初并不是由天文学界提出的，而是来自一个名叫威廉·戈登的电子工程师的天才想法：他设想对大气电离层中等离子体反射的雷达回波进行监测。由于这种信号非常微弱，他测算需要建设口径达300米的巨型天线才可行。得益于冷战时期美苏太空竞赛的助推作用，当时的美国国防部高级研究计划署（ARPA）投资了阿雷西博射电望远镜项目。

▲阿雷西博射电天文望远镜（图片来源：美国佛罗里达州中央大学）

这个项目看似疯狂，但是工程师又有一些看似简单却非常天才的解决方案。首先这么大规模的天线，肯定是无法将其托举起来的，所以工程师们就在加勒比海的波多黎各岛上找了一处喀斯特地貌进行建设，直接用自然形成的碗形大坑作为底座。其次，由于球面是无法形成点聚焦的，工程师们就设计了一根3-4层楼高的金属悬吊塔，被称为“线馈”，以此来形成球面聚焦的焦点，其长度与工作信号的波长成正比。如果我们肉眼能够看到无线电波的话，就会发现电波像光线一样首先打到线馈的底端，然后越往线馈顶部走越亮，到达顶部感应器时又重新聚焦，变得最亮。这样一个设计理念，使得阿雷西博望远镜在建成伊始就取得了一系列载入教科书的重大发现。

▲阿雷西博射电天文望远镜的巨型馈源，左下角可见其独特设计的塔状线馈源（图片来源：uncover.travel）

在阿雷西博射电望远镜落成后的1967年，人类首次发现了脉冲星。我们知道，脉冲星是一个稳定的高速旋转且具有极高磁场与极高物质密度的中子星，其物质状态极为特殊，体内已经压缩到没有电子和质子，平均密度高达每立方厘米1亿-10亿吨！脉冲星最重要的特征，就是转动特别稳定，可以达到每10亿年慢1秒的程度，堪比高精度的原子钟，这相当于为人类在宇宙中提供了一个时钟。

在脉冲星这个重大发现之后，美国天文学家泰勒就提出要借助阿雷西博望远镜去探索新的脉冲星，并申请立项。1973年，在探测项目刚执行的当年，泰勒的学生就发现了一个脉冲双星系统（由一颗脉冲星和一颗中子星组成），科学家们根据该星的脉冲能够精确地研究其轨道动力学。在传统的牛顿经典力学体系中，两个在真空中相互转动的物体是在做加速运动（运动方向变化），但没有能量耗散。泰勒在对于该脉冲星的时钟信号进行了长达20年的精确测量后，发现这个双星系统的轨道是严格按照广义相对论的预言在衰减，两颗星的轨道在逐步接近——这说明两颗星的能量在真空中耗散了。原来中子星在加速运动中可以掀起时空的涟漪，而这个时空涟漪本身是可以带走能量的。这种能量辐射的机制，就是今天我们耳熟能详的“引力波”。泰勒的这个发现，连同随后的工作，让他和天体物理学奖赫尔斯一道荣获了1993年的诺贝尔物理学奖。

因发现脉冲双星而与赫尔斯分享1993年度诺贝尔物理学奖的约瑟夫·泰勒 来源：马萨诸塞大学阿特默斯分校图书馆

射电天文学发展的重要里程碑就是对中性氢的探索，但阿雷西博望远镜本身却一直不适合作中性氢的研究。虽然“线馈”装置是一个天才设计，但缺陷也很明显：如果观测波长有变，就需要整体更换这个“线馈”装置。而宇宙中的气体相对于地球是有各种各样的红移的。如果是只能作窄带观测的系统，其观测范围势必会非常受限。从70-80年代开始，工程师们一直在思考各种改进方案，最终在90年代中期给阿雷西博望远镜又安装了一座四层楼高重达300吨的穹顶，在穹顶内工程师加装了两面镜子，通过这种特殊设计的几何面，使得望远镜具备了作宽带观测研究的能力。

▲2020年12月1日发生垮塌事故的阿雷西博天文台（图片来源：美国《科学》杂志官网）

阿雷西博望远镜完成改造后不久，我还在康奈尔大学读书，也去阿雷西博天文台进行了观测研究。2003年，我们发现了一类特殊的原子氢气，并基于此发展出“中性氢窄线自吸收”（即HINSA）的观测方法，这种方法就类似于同位素“碳纪年”法，以“氢纪年”的方式来检视宇宙中物质主要成分演化的历史。

“中国天眼”，站在前人的肩膀上

有了阿雷西博望远镜这样一个成功的观天巨目后，90年代早期，全球的天文学家就开始讨论下一代巨型射电天文望远镜。此时，中国的科学家们也提出了自己的设计概念，即建设20个像阿雷西博这样的巨大天眼，组成一个阵列，这样其观测能力就能达到前所未有的深度和精度。

老一辈天文学家提出的20个天眼的宏伟方案，最终只有一个幸存下来，这就是今天的“中国天眼”，这是我国天文学界学习先进并赶超的一次重要尝试，我本人非常荣幸在2012年回到中国科学院，参与这个项目的建设。

▲南仁东（中）在贵州黔南州平塘县大窝凼施工现场与工程技术人员在一起（图片来源：新华社）

“中国天眼”的建设地点，位于贵州省黔南州平塘县克度镇金科村。2011年正式开工建设，2012年工程基本的三通一平工作完成，2013年圈梁钢架结构入场，到2015年整个索网结构到位。在建设过程中，工程人员将天线的面板放在一个能够运动的金属组网结构上，负责吊装面板的吊车将圈梁作为轨道来移动，搬运11米边长的三角形面板，并由索网上的工程师将面板安装到位。到2016年9月25日，整个工程建设阶段结束，在竣工典礼上，当年因发现双中子星系统而获得诺贝尔奖的泰勒也亲赴现场见证。

▲当年正在铺设三角形面板的“中国天眼”建设工地（图片来源：快科技）

“中国天眼”口径达500米，通过上千个面板的组合运动，将500米中的300米从球冠的一部分变成一个抛物面。但要实现对于平行光的点聚焦，还需要实时挪动天眼中的焦点，即变换电磁场采样和受光装置的位置。我们采用了一个30吨重的馈源舱，然后用六根纤细的牵拉索，像提线木偶一样使其可以在几十米的焦平面上精确飞行，飞行精度可以实时地达到1厘米。这样通过组合反射面的运动与馈源舱的运动相互配合，我们就实现了对来自太空平行光的点聚焦。

这样一个创新的设计理念使得“中国天眼”成为人类历史上对无线电信号采集最灵敏的射电天文望远镜。在经过艰苦的调试之后，“中国天眼”在2017年10月10日公布了第一个科学发现：一颗新的射电脉冲星，它距离地球将近2万光年之远。这次发现证明：“中国天眼”不仅是一个成功的科学工程项目，同时也是正在有效做出科学发现的大科学装置系统。基于阿雷西博望远镜的理念，“中国天眼”运用更多更为现代的创新技术，除了不断探索脉冲星外，还将系统描绘宇宙原子氢气21厘米谱线的辐射。

▲“中国天眼“结构示意图（图片来源：中国数字科技馆）

而早在2015年，我们就开始探讨如何利用“中国天眼”进行巡天观测，以前的射电望远镜既做过脉冲星的巡天观测，也做过中性氢的巡天观测，但还没有哪个设备能够同时实现这两个巡天任务。到了2018年，我们基于高视频噪声注入技术，实现了世界上首个中性氢与脉冲星同时观测的大型巡天观测模式。基于此的项目名称是“多科学目标同时巡天”(简称CRAFTS)。我们利用“中国天眼”的19个波束，通过地球的自转带动波束飘过天空，进行扫描，同时记录四类科学数据，这样就实现了脉冲星搜索、中性氢成像、中性氢的星系搜索和射电暂现源的搜索。这样一个多性能巡天项目得到FAST科学委员会批准，成为FAST优先重大项目之一。

“中国天眼”的尝试才刚刚开始

除了中性氢、脉冲星这些传统领域的探索，“中国天眼”也一直在新前沿系统性取得重要发现。2007年，天文学家探测到了一个全新的未知神秘信号，被称为“快速射电暴”。这个信号特别亮，而且信号源距离地球非常遥远，科学家们推测其本征能量非常之大。直到快速射电暴被发现10年后，人类才第一次对一个会重复爆发的信号源进行定位，由此测量其所在星系的距离。科学家们发现这一快速射电暴信号源在距离地球非常遥远的贫金属矮星系里，并由此估算出其惊人的能量：在短短的千分之几秒内，快速射电暴蕴含的本征能量足够人类社会用1万亿年！目前人类根本不知道什么样的天体能发射出快速射电暴。

▲“中国天眼”首次发现重复快速射电暴（图片来源：央广网）

目前全球已探测到600多例快速射电暴事件，“中国天眼”CRAFTS巡天发现了4例。而通过CRAFTS巡天项目，我们在2019年还发现一个重复的快速射电暴，这也是世界上已知的第一个持续活跃的快速射电暴——以往发现的快速射电暴都是只爆发一次或有间歇期。我们利用天眼深度观测重复快速暴，相关成果入选2021年度“中国科学十大进展”。根据CRAFTS的发现可以估算，快速射电暴每天发生10万次以上。如果我们有合适的设备看遍天空，人类生活在一个动态宇宙之中，每天每个方向都可能在发生剧烈的爆炸！

▲从天空俯瞰建成后的“中国天眼”（图片来源：人民网）

“中国天眼”的建设经历了20多年，但正式运行也就两年多。在这两年多时间里，有将近400个项目在依托“中国天眼”进行观测研究。“中国天眼”催生了150多篇学术期刊论文，其中包括在《自然》与《科学》这类国际顶级期刊上发表的文章。它的科学产出效率与所取得的成果，远远超过了我最乐观的期待与想象！“中国天眼”在阿雷西博望远镜这样一个科学工程奇迹的基础上进行了延展和创新，已经成为一座非常成功的射电天文望远镜。在射电天文这样一个小领域，“中国天眼”是南仁东先生常说的“从追赶到超越的一次尝试”，而这个尝试现在才刚刚开始。

（本期图片、视频来自第776期首都科学讲堂）

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