04 脉冲星与“中国天眼”
导语：2017年10月10日，中国科学院国家天文台宣布，500米口径球面射电望远镜（FAST）经过一年紧张调试，已实现指向、跟踪、漂移扫描等多种观测模式的顺利运行，并确认多颗新发现脉冲星。
“天眼”工程副总工程师李菂介绍，“天眼”调试进展超过预期，目前已探测到数十个优质脉冲星候选体，其中6颗通过国际认证。
这其实是一件大事！其意义不仅限于实现了我国在脉冲星探测领域“零的突破”，更重要的是，为将来更重要的探索开了一个好头，好戏还在后头。
那么，脉冲星到底是什么？中国发现这样的“星星”究竟有何意义？
诡异之星
先来说说被发现的脉冲星是什么？
宇宙万物都要经历死亡，时刻散发光和热的恒星也免不了。有一些恒星死亡之后会爆炸，变成超新星。超新星爆炸以后剩下的渣滓，有一部分就是中子星，如果这个中子星碰巧有磁场，那么它旋转起来就会形成脉冲星，也就是说，脉冲星其实是特殊的中子星。
对人类来说，单纯的中子星就很诡异：中子星的个头只有一座小型城市那么大，但质量却比太阳还要重。这么说吧，假设有一个天平，一端盛上一茶匙的中子星物质，另一端则需要一座高达3000米的山峰才能相抵。
对于想造访中子星的人类来说，在中子星上着陆是永不可能的。中子星表面强大的引力会瞬间把飞船以及里面的一切都压成糊状的亚原子粒子。
而作为特殊中子星的脉冲星，除了具备中子星的普遍特性之外，最大的特点就是它的辐射束会周期性快速扫过地球，使地球人看到一个个周期脉冲。
这和我们在海里航行时看到过的灯塔有点像。设想一座灯塔总是亮着而且不停地有规则地运动，灯塔每转一圈，由它窗口射出的灯光就射到我们的船上一次。灯塔不断旋转，在我们看来，它的光就连续地一明一灭。
脉冲星也是一样，它每自转一周，我们就接收到一次它辐射的电磁波，于是就形成一断一续的脉冲，这种现象也叫“灯塔效应”。
这样看来，脉冲星这样极端的天体是世人难以想象的存在。
1967年，英国女科学家约瑟琳·贝尔意外发现了脉冲星。当时，接收到的脉冲星信号为无线电波，就像以前的电报信号一样，嗒嗒，嗒嗒嗒……她以为接收到的是外星人的信号，所以给这颗星取名“小绿人一号”。
后来，贝尔又发现几颗脉冲星，而且信号来自四面八方。银河系各界的外星人，怎么会凑巧在同一时间给地球发信号？这显然是不太可能的，这样就暂时排除了信号是来自外星人的可能性。
经过仔细分析，贝尔在Nature上发表了这种未知的天体，因这种星体不断地发出电磁波脉冲信号，就把它命名为“脉冲星”。
这里有一点需要注意，我们在地球上接收到的信号，其实是很早前发出的。就拿“天眼”发现新脉冲星举例，这两颗分别距离地球1.56万光年和4100光年，信号发射之后，需要1.56万年和4100年才能到达地球。
搜寻竞赛
20世纪60年代，是射电天文学方兴未艾的时代，也是国际射电天文学界群雄逐鹿的年代。人类第一次大规模地透过光学以外的电磁波窗口向宇宙好奇地瞭望，所见的一切都是新鲜的。
贝尔发现脉冲星的消息一经发出，顿时轰动全球，被誉为20世纪天文学的四大发现之一（另外三个是类星体、星际有机分子和微波背景辐射），为天文学和天体物理研究开辟了新的领域，也为各国的国际竞赛开辟了新的跑道。
得益于“二战”中为防御德国空军而成长起来的雷达技术，美国、英国及其前殖民地澳大利亚的射电天文技术发展暂时领先。
到发现脉冲星的10周年（1977年），各国共发现脉冲星149颗。
1978年，澳大利亚的莫朗格洛望远镜在“科学的春天”发力领跑，一鼓作气将已知脉冲星数量翻了一倍多，达到了320颗。
不过，在接下来的20年中，新脉冲星发现的步伐只能说不紧不慢：在美属波多黎各、当时世界最大的、口径达到305米的望远镜阿雷西博，美国绿岸天文台91米望远镜，英国乔德雷尔·班克天文台76米望远镜，以及澳大利亚帕克斯天文台64米望远镜的共同努力下，到脉冲星发现的30周年（1997年），各国脉冲星搜寻的累计战果仅扩大到了705颗。
由此可以看出，在搜寻的前30年，脉冲星的发现增长几乎是线性，而非指数的。这也是由射电望远镜的特性所决定的：一般一次只能观测一个方向，也就是说，射电望远镜是一个只能一个点一个点连续拍照的“单像素”相机。
“天眼”发力
由于历史和设备原因，我国其他射电望远镜探测到过多颗已知脉冲星，但没发现过新脉冲星。这次可以发现新的脉冲星，要归功于具有极高灵敏度的500米口径球面射电望远镜（FAST）。
FAST位于贵州省平塘县名为大窝凼的喀斯特洼地之中，它突破了射电望远镜工程极限，是目前世界上最大的单口径射电望远镜，接收面积相当于30个足球场大小，被誉为“中国天眼”。
那么这个“中国天眼”，到底有多牛？
*它是我国自主知识产权的“大国重器”。
*它是世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜，比德国波恩100米望远镜的灵敏度高10倍，比美国阿雷西博350米望远镜的综合性高10倍。
*它一开机，就能收到1351光年外的电磁信号，未来可用于捕捉外星生命信号！
2016年9月25日，FAST在贵州平塘的喀斯特洼坑中落成启用。
目前，FAST已实现指向、跟踪、漂移扫描等多种观测模式的顺利运行，调试进展超过预期及大型同类设备的国际惯例；而且，已经开始系统的科学产出。
这其中就包括对外发布的“新脉冲星的发现”——从2017年8月FAST开展扫描试观测以来，不到2个月内就发现了6颗脉冲星。
那么，FAST怎么找到遥远的脉冲星呢？
形象地来说，如果FAST是一位男生，脉冲星是银河系范围里的女生。FAST不是“只盯着一个姑娘看”，它的策略是选定一个大方向——赤道以南的天空区域，等着，对川流不息的人群进行连续“拍照”，然后再从这些照片中寻找“意中人”。
未来，FAST在脉冲星搜寻领域更是大有可为。
若说过去50年，脉冲星家族新成员的发现是西方发达国家说了算的话，那未来20年可能要更多地指望中国了。FAST有望发现更多奇妙、新型的脉冲星系统，探索爱因斯坦提出的地球上无法验证的各种假说。
中国为何有此底气？
因为在FAST之前，地球上所有望远镜都只能看见银河系里的脉冲星。
而随着FAST加入射电望远镜家族，科学家预测人类发现的脉冲星家族有望扩员一倍，而且会看见河外星系的脉冲星，甚至是围绕黑洞的脉冲星。银河系约有6万颗可观测的脉冲星，目前只探测到了约4.5%, FAST具有高灵敏度和分辨率，使得很多暗弱的脉冲星均在其视野里，预计可测4000颗以上脉冲星。
可以说，“中国天眼”FAST在20年内都有望保持世界一流望远镜的地位。
触摸未来
探索脉冲星对我们来说究竟有何意义呢？
其实，一个基础科研成果，短期内是看不到惠及人类的效果的。但是从长远来看，探索脉冲星为我们打开了新世界的大门。
首先，脉冲星是一种理想的天体物理实验室。
很早以前，物理学就陷入了“实验物理远远落后于理论物理”的挣扎中。
也就是说，理论物理学家已经提出了一大堆合理假说，但是实验却难以验证，这一点，在天体物理方面表现得尤为明显。
而脉冲星就是一种理想的天体物理实验室，它高度致密，又有强引力场，具有在地面实验室无法实现的极端物理性质。没有这个实验室，很多天体物理方面的假说就只能是假说。而对其进行研究，就有希望得到许多重大物理学问题的答案。
其次，脉冲星可用来探测引力波。
引力波是宇宙中难以捉摸的涟漪，理论预言其产生于大尺度宇宙事件，例如在宇宙早期，两个星系合并后其中心产生大质量双黑洞系统，以及大爆炸早期瞬间产生的宇宙膨胀遗迹。
虽然在没有雾霾和城市光污染的夜晚里，我们能看到璀璨的星河，但是要知道真正的宇宙中，大部分地方（90%以上）都是无尽的黑暗。而且这种黑暗是真正的、永恒的黑暗——因为它们是黑洞和暗物质，不管造多强多好的望远镜，对这些黑暗我们都束手无策。
有了引力波探测之后，我们终于有能力去探测宇宙的黑暗里到底有什么。虽然暗物质无形无色，但是它有着巨大的质量，利用引力波我们终于能捕捉到它的蛛丝马迹。
当引力波传来时，它会使得“时空”发生扰动。这时如果利用大型射电望远镜观测多颗不同方向的脉冲星，会发现有的脉冲星信号到达时间提前，有的脉冲星信号到达时间滞后，从而提出干扰影响，直接探测到引力波的存在。
这可了不得！要知道，2017年诺贝尔物理学奖就花落引力波探测，引力波是爱因斯坦广义相对论中的重要推论。对引力波的探测不仅可以进一步验证广义相对论的正确性，而且将为人类展现出一幅全新的物质世界图景：茫茫宇宙，只要有物质，就有引力辐射。
最后，脉冲星可用于宇宙导航。
如果将来人类飞到太阳系以外，世界各国的多种自主导航方法，无论是惯性导航、卫星导航，还是天文导航和地磁导航等都会失效。
那茫茫宇宙我们靠什么来导航呢？
脉冲星的信号！脉冲星导航具有定位精度高、抗干扰能力强、无须地面系统支持等特点，尤其在深空、战争等极端条件下对航天器自主导航具有不可替代的优势，是各航天强国争相发展的尖端技术。
探索未知、追寻真理、掌握命运、敬畏自然是我们人类的天性。利用脉冲星，迈出“开眼看宇宙”的坚实一步，就像我们在茫茫大海中有了地图，去扬帆探索“新大陆”。
告慰南老
说到FAST首秀带来的成就，就一定要提一位天文学家——南仁东。
2017年9月16日，中国科学院国家天文台发布讣告，中国著名天文学家、500米口径球面射电望远镜（FAST）工程首席科学家兼总工程师南仁东病逝，享年72岁。
古有十年磨一剑，今有二十年塑天眼。在怀念南仁东时，他的同事和学生们说，“南老师20多年只做了这一件事”。
南仁东和FAST的缘分，要从1993年说起。
那一年，日本东京召开国际无线电科学联盟大会，人们希望在全球电波环境恶化到不可收拾之前，建造新一代射电“大望远镜”。
时任中国科学院北京天文台副台长的南仁东，一把推开代表中国参会的吴盛殷的门，直率地说：“咱们也建一个吧。”
那时的南仁东才回国三年，此前他在日本国立天文台当客座教授，一天的薪水相当于国内一年。可当北京天文台需要他时，他立刻就回来了。
从此，他参与到FAST设计的每一个环节当中。
为了在贵州选到最适合建造500米口径球面射电望远镜的位置，南仁东白天黑夜不停地走访。以当时的道路条件，每天最多走1～2个窝凼。他晚上回到县城，白天再跋涉过来。
直到有一天，踏上大窝凼，这是一大片漏斗天坑群，像天然的巨碗。四周的青山抱着一片洼地，山上郁郁葱葱，几排灰瓦的木屋陈列其中，鸡犬之声不绝于耳。
南仁东站在窝凼中间，兴奋地说：“这里好圆。”
初期勘探结束后，其他人大多回到了原先的工作岗位，只有南仁东满中国跑。为了寻求技术合作，他坐火车从哈工大到同济，再从同济到西安电子科技大学。
他还设法多参加国家会议，逢人就推销项目。“我开始拍全世界的马屁，让全世界来支持我们。”经历了艰辛的10多年，FAST项目总算渐渐有了名气。
2006年，中国科学院召开各院长会议，听取各个“十一五”大科学工程的立项申请汇报，南仁东在会上为FAST申请立项得到通过。在最后的国际评审中，他用英文发言，由于提前把整篇稿子背了下来，评审最后，国际专家开玩笑说：“英文不好不坏，别的没说清楚，但要什么，他说得特别明白。”
2007年，国家批复FAST立项。2011年3月，村民搬迁完毕，FAST工程正式动工建设。开工那天，南仁东在洼地上，默默看着工人们砍树平地，他对身旁的工作人员说：“造不好，怎么对得起人家？”
关键技术无先例可循、关键材料急需攻关、核心技术遭遇封锁……从选址到建成的22年时间里，南仁东带领老中青三代科技工作者克服了不可想象的困难，实现了由跟踪模仿到集成创新的跨越。
南仁东曾这样描述自己为什么为FAST这么拼命：
“我谈不上有高尚的追求，没有特别多的理想，大部分时间是不得不做……人总得有个面子吧，你往办公室一摊，什么也不做，那不是个事。”
“我特别怕亏欠别人，国家投了那么多钱，国际上又有人说你在吹牛皮，我就得负点责任。”
这是FAST项目从安装第一块反射面板到即将完成的过程（拼版照片）
左上为：FAST安装第一块反射面板（2015年8月2日摄）
右上为：FAST反射面板安装近半（2015年12月16日摄）
左下为：FAST反射面板安装近八成（2016年3月9日摄）
右下为：FAST反射面板安装完成（2016年7月3日摄）
2016年9月，已罹患肺癌并在手术中伤及声带的南仁东，不顾舟车劳顿，从北京飞赴贵州，在远处默默目睹经历了漫长成长岁月的“中国天眼”正式启用。
在他的注视下，这项雄伟的工程从此凝望太空、永恒坚守。或许某天，中国人就能代表人类接收到外星文明发出的讯号……
如今，FAST硕果累累，南老也可瞑目。
“20多年的研究，我终于看见了你，而你却再看不见我。”
（本文综合自《科技导报》、央视新闻、果壳科学人、中国日报网等）
撰文：李浩然
