上:美国第一颗人造卫星下:JPL和钱学森
南东先生和邱玉海先生
快速探测快速射电爆发
克拉夫特的调查发现了脉冲星
中性窄线自吸收HINSA
快速射电爆发:来自宇宙深处的神秘爆发
格伦岛77号
贾斌:李勇，中国科学院国家天文台研究员
FAST首席科学家
协办单位:中国科学院科学传播局计算机网络信息中心
位于贵州山区的五百米口径球面射电望远镜(FAST)非常漂亮。田燕计划在中国具有历史意义，它见证了中国的经济发展和科技进步。我们是这个项目的受益者和参与者，我们很荣幸成为它的建设者。作为一名天文学家，我非常幸运。现在中国拥有世界上最先进的设备——“田燕”的无线电波段。
田燕实际上是一块直径为500米的金属板。如果我们把它装满水，全世界的人至少可以得到两瓶。但是它装不了那么多水，因为它有很多0.5cm左右的小孔，占了它50%的面积，所以水可以漏下来。一辆卡车从这个巨大的金属结构下面开过，光可能会从这个洞里漏出来。因为无线电的波长很长，我们观测到的波长是20cm，远远大于空洞，所以天眼还是一个非常高效的反射面。
2020年初，田燕通过国家验收，正式成为国家科学仪器。2021年，首次对外开放。在不到两年的时间里，发表了100多篇国际论文，包括5篇Nature，1篇Science，1篇Nature Astronomy等。，都是利用田燕获得的数据生产出来的，所以这是一种非常高效和尖端的科学设备。
巨型射电望远镜阿雷西博是如何诞生的？
天眼很像阿雷西博，是位于波多黎各的上一代巨型射电望远镜，也是喀斯特地形的设备。阿雷西博号建于1963年，在当地时间2020年12月1日倒塌之前，它完成了大量进入教科书和历史书的工作。它测量了水星的自转，改变了150多年来天文学和物理学的错误观念；它首次发现了太阳系外的行星；首次发现两颗中子星相互环绕的情况，证明了引力波的存在，获得1993年诺贝尔物理学奖。
这是一个所有天文学家都很熟悉，很多人都在使用的先进设备。它是由威廉·戈登教授在1958年康奈尔大学电子系的一份学术报告中提出的。
戈登教授研究电离层的雷达回波。这个信号很弱，所以他提出需要300米望远镜才能探测到。戈登教授的同事在研究了这个提议后指出，“你的研究实际上可以用30米的望远镜来完成。”后来，戈登教授正式向美国高级研究项目委员会(American Advanced Research Projects Committee)提出了自己的项目，该委员会是一个专门资助大型、高级和高风险项目的基金会。
戈登教授是一个非常真诚和脚踏实地的人。他提出了两个有争议的概念，而基金会选择了前一个概念，即支持建造超大型望远镜。这种情况类似于你想创业的时候对投资人说:你给我一个亿，我就能实现一个小目标。但投资人说:我给你一亿，你就能做那件盛大的事。每次回忆这段历史，都很震撼。
为了更好地理解这件事，我们需要回到上世纪50年代末美苏冷战的历史环境。苏联成功发射人类历史上第一颗人造卫星后，美国一直在追赶。1957年，美国海军进行了第一次卫星实验，直接在发射台上爆炸。电视播出后，当天股市立即崩盘。
同时，美国陆军与加州理工学院有长期合作。他们成功发射了美国第一颗人造卫星，跟上了太空竞赛的步伐。加州理工学院喷气推进实验室是钱学森先生创建的，他后来成为中国导弹之父。
卫星发射成功后的第二年，美国成立了国家航天局。直接的结果是，原本管理太空项目的美国高级研究项目委员会决定用自己的资金资助地面上的大型项目，这些项目具有前瞻性，甚至有点疯狂。它资助的第一个项目是阿雷西博望远镜。
在那种历史条件下，大科学实际上反映了冷战长期战略的一部分。当时有一个著名的文件——乔治·凯南在他的长电报中指出，如果要进行意识形态的对抗和经济、科技、太空的全面竞争，“必须规划和展示一个比过去更积极、更有建设性的世界蓝图”。科学仪器也是这个世界蓝图的一部分。
田燕，总造价11.5亿元，是一个非常便宜的大科学项目。
1996年，阿雷西博望远镜获得诺贝尔奖后的第三年，国家天文台老一代射电天文学家南先生和邱玉海先生首次到阿雷西博天文台进行实地考察。
他们在阿雷西博概念的基础上，结合当时可预见的现代技术发展前景和中国在工程方面的优势与劣势，形成了“天空之眼”的概念，并于2007年底获得国家发改委的批准。
我从2008年开始参与项目建议书的编制，2012年有幸回到科学院全职参与这个项目的建设。2015年，南任栋先生不幸被诊断出肺癌，于是我做了三年的工程师。
工程师的工作与我日常的天文学家的工作大不相同。我需要搬砖，种树，焊接光纤...我在项目现场呆的时间比较短，而我们主要的工程团队住了六年多的板房，没有室内热水，没有独立卫生间。即使在这种情况下，大家都保持着非常好的精神状态。
经过艰苦的努力，我们在2016年9月19日，也就是竣工典礼的前几天，获得了“第一缕光”，或者说“第一缕光”。这个项目背后有很多有趣的东西，我们也是在工作的过程中慢慢学习的。比如项目工地上有很多马蜂，我们都被蛰过不止一次，所以到了2016年，我获得了很多保护的经验。有一次我没被马蜂蛰到，却撞上了一盏矮灯。
天眼是几代人努力的结果。与阿雷西博望远镜相比，田燕的进步或不同之处在于，它不仅更大，而且只有一面。它把一个直径500米的球冠的一部分分成4500个反射单元；通过实时调整这些反射单元，它们从球冠的一部分变成了抛物面。
我们中学物理学过抛物面。平行光进来可以实现点聚焦。同时，因为你要看天空中不同的方向，为了点对焦，你的焦点必须能飞起来。
FAST望远镜的焦点是馈源舱，重达30吨，由6根横截面直径约为4.6厘米的极细电缆控制。如果你站在几百米外，你会发现它们是如此的精致。
田燕是一个令人印象深刻的钢架工程。但是如果你的眼睛能透过这个金属板和陆地，你会看到下面有几十万根光纤，这是一个现代高科技的科学装置。田燕的总造价为11.5亿元。如果北京要建地铁，这个价格勉强能修两个地铁站，所以我经常说是很便宜的大科学工程。
公布的四个快速射电暴都是来自宇宙的青春期。
在无线电频段，FAST是目前最大、最灵敏的设备。其工作频率涵盖70兆赫至3000兆赫。这意味着我们在调频收音机、手机、蓝牙、WiFi等人类广泛使用的频段上有了一种新的、更灵敏的设备。
就像人们发现新大陆后做的第一件事就是做物种普查一样，天文学家有了新设备要做的事情也是一模一样的。我们称之为“巡天”。
巡天的主要对象有两个，第一个是脉冲星。脉冲星是一种非常短而强大的脉冲，来自磁场和密度极高的中子星，提供了天空中极端物理条件下的实验室。它的发现和对引力波的证明两次获得诺贝尔物理学奖。
第二种叫做天体21 cm氢线，其波长为21cm，实际上反映了缺失的原子氢。宇宙中物质的主要成分是原子氢，它们的质量总和远远超过你能看到的所有恒星和星系的总和。
基于FAST的灵敏度和一系列原创技术，我们实现了世界上第一个可以同时观测原子氢和脉冲星、搜寻地外文明的巡天模式。这个项目的名称是“多科学目标同时巡天”，简称“CRAFTS”。
到目前为止，这个项目已经发现了150多个新的脉冲星。包括FAST发现的第一个双中子星系统，类似于1993年获得诺贝尔奖的天体系统。
我前面提到过，FAST已经催生了100多篇文章，其中最活跃的是由脉冲星衍生出来的一个新领域——快速射电暴。
什么是快速射电爆发？这是一个不重复的毫秒级脉冲，而且非常明亮。他们来自宇宙深处。它们弱的时候千分之一秒相当于太阳一小时的能量，强的时候相当于太阳几年的能量。因为离地球很远，所以到达地球时看起来是微弱的无线电信号，但实际上爆发时非常亮。
目前FAST发现的快速射电暴不多，我们发表了4个。他们都来自宇宙的青春期，也就是来自宇宙的早期。相对来说，他们很黑，很弱。这四个快速射电爆发覆盖了一个相当特殊的参数空间，因此它们可以提供物理限制。
快速射电爆发领域非常年轻。2007年，人类知道这个神秘的爆炸存在于银河系之外。2012年11月2日，快速射电爆发源121102首次出现在人类观测数据中。2017年才定位。之后就可以观测到它周围的恒星以及星系的红移。基于这一发现，科学家们确定快速射电爆发来自宇宙深处。这是理解快速射电爆发机制的一个里程碑。这个快速射电爆发源和这个位置被认为是自LIGO引力波探测以来最重要的天文发现。但是，我们仍然不能理解它的天文起源和物理机制。
当我们设计和建造FAST望远镜时，这个领域还没有出现。但在建造过程中，我们开始考虑赋予它快速无线电突发探测的能力。好在2019年8月底，我们抓到了一个非常活跃的同源121102的爆发。
我们在60天内获得了1652个脉冲，跨越了三个数量级，即其亮度和能量范围跨越了上下数千倍。这一结果发表于2021年10月中旬。我们获得的脉冲数超过了过去14年发表的总和，这为在该领域进行统计物理研究的学者提供了一个机会。
我们画了一幅900多年前宋朝的《千里山河图》。这里的河流代表脉冲，背景中的峰值是真实的数据图，代表不同时间快速射电爆发的数量和能量。
这次观测的天文学意义主要是，我们第一次完整地看到了这次神秘爆炸的能量表象。快速射电爆发的信号本身与脉冲星非常相似，但脉冲星是一种致密的天体，具有严格的周期性，它会像时钟一样稳定地旋转。
对于快速射电爆发这样密集的脉冲，我们找不到它的周期性。因此，对FAST的观测使我们能够在很大程度上排除这种重要而活跃的重复风暴来自一个孤立的磁星或黑洞的可能性，但我们仍然有很长的路要走，以了解它是什么，这是一个非常活跃的前沿领域。
在田燕的帮助下，首次成功地测量了欣萨的塞曼效应。
除了脉冲星和快速射电爆发，另一个更接近基础天文学和FAST主要科学目标之一的是原子氢。
现在这个领域有一个非常重要的进展，就是利用原子氢光谱的探测方法来探测星际磁场。这种探测方法依靠的是塞曼效应原理，这是唯一一种可以在星际尺度上直接探测磁场强度的方法。
我们知道电磁学的起源是法拉第的实验，其核心是让线圈随着磁铁运动时产生感应电流。现在回想起来，这简直是一个奇迹般的实验，因为线圈和磁铁并不接触，证明法拉第画出的假想磁力线是磁场的表现。目前人类的技术还不能把一个线圈送到几百光年之外去探测星际磁场，所以需要依靠塞曼效应。
我们有不同的方法来观察这条谱线的发射。2003年，我和我的博士生导师戈德史密斯教授开发了一种相对新颖的方法——利用美国的阿雷西博望远镜进行氢的窄线自吸收。
从2003年到现在，近20年的时间里，我们和其他同事在阿雷西博望远镜、格林班克望远镜、加拿大望远镜等大型望远镜中尝试了HINSA的塞曼效应，但都失败了。
直到2021年，凭借“田燕”无与伦比的灵敏度和它干净光路的一些优势，我们获得了第一次成功测量欣萨的塞曼效应。
我们观测到金牛座一个相对较近的致密分子云中间存在一个约4微高斯的星际磁场。这意味着它的大小大约是地球磁场的百分之一，非常微弱。如此微弱的磁场无法抵抗云、分子和尘埃因引力而向内坍缩，通过引力的压缩产生核反应，很快形成下一代太阳，从而为解决恒星形成三大经典问题之一的磁通量问题奠定基础。
这是通过原子氢和分子氢相互碰撞然后冷却，然后产生欣萨塞曼效应的特征来实现的。这一成果最终于2022年1月登上了《自然》的封面。模仿1600多年前顾恺之画的《洛神赋》，我们把真实的星际分子云的数据放入星际磁场和艺术展示的天空之眼。
天眼给了我们像游龙一样看到行星际磁场的能力和机会，让我们看到了渗透在这和谐磁场的涟漪中的分子云，它必将孕育出一颗新的恒星。宇宙的剧烈变化会产生微弱的回声。
2012年2月14日，在我到天文台工作后主持的第一次会议上，我邀请了南先生进行指导。
在FAST望远镜的提出、建造、调试和使用的整个过程中，我有很多感触。阿希博望远镜是上世纪中后期美苏冷战的直接产物。它代表了无线电科学和工程在20世纪太空探索中的高峰和奇迹。田燕计划在中国具有历史意义，它见证了中国的经济发展和科技进步。我们是这个项目的受益者和参与者，我们很荣幸成为它的建设者。
最后，我想和大家分享南任栋老师经常告诉我们的一句话:天空之眼是为下一代科学家建造的，它代表了中国射电天文学从追赶到超越的一次尝试。
而这种尝试才刚刚开始。
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