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探索宇宙秘密的中国“神器”

本刊记者 付冰冰    2021-08-30 10:38:31    《人民周刊》

2021年7月17日上午,上海临港新城区,历时五年建设、凝聚几代人梦想与汗水的上海天文馆正式开馆。进入场馆内部,“家园”“宇宙”“征程”三大常设展区通过模拟现实的方式分别为观众们留下了“我们是谁?我们在哪?我们要往何处去?”三个想象与探索的空间。在这座占地面积3.8万平方米的全球最大天文馆里,不同年龄段的参观者们向星辰问路,向深空出发,在参观中了解宇宙,探索未来。

“科学发展到现在,我们已经不满足于只知道地球,要考虑地球以后怎么办,天文能够帮助大家解答这类问题。”94岁的中国科学院院士、中国科学院上海天文台原台长、3241号小行星冠名者叶叔华说。

开馆当天下午,一场“飞向无尽的宇宙”天文高端国际会议吸引了众多参观者驻足,在这场由上海科技馆和世界顶尖科学家协会上海中心联合主办的会议上,全球顶尖天文学家们在会上分享了各自研究领域的新发现与新成果。其中,2011年诺贝尔物理学奖得主、美国约翰斯·霍普金斯大学教授亚当·里斯分享了《宇宙膨胀测量的最新研究》,2019年诺贝尔物理学奖得主、剑桥大学卡文迪许实验室教授迪迪埃·奎罗兹分享了《宇宙中行星多样性的发现》,来自中国的科学家则分别以“悟空”“天眼”“慧眼”等为例分享了近十年来中国天文界为世界作出的贡献。

 

“悟空”:

空间探测暗物质粒子面临三大挑战

2015年12月,甘肃酒泉卫星发射中心成功将“悟空”号暗物质粒子探测卫星发射升空,这个名字取材于《西游记》的卫星主体本身是伽马射线望远镜,其分离度和能量分辨本领优于西方国家。它肩负两大任务:研究宇宙射线起源和传播;通过对不同种类粒子的能量、方向、电荷等指标进行高分辨测量,探测暗物质粒子。

“宇宙的组成,人类只弄清了5%,万有引力定律表明,还有95%是暗物质和暗能量。”中国科学院院士、中科院国家天文台台长常进表示,暗物质和暗能量被认为是笼罩在21世纪物理学上空的两朵新的乌云,对二者进行研究可以打开新的物理学大门。

如何探测暗物质?常进介绍了三种方法:第一种方法是在加速器上通过高能粒子碰撞探测暗物质粒子;第二种方法是在地下实验室通过探测器用传感器探测暗物质粒子和普通原子碰撞所产生的微弱信号;第三种方法是空间实验。由于暗物质本身不可见,但是暗物质衰变时会产生看得见的粒子,通过看得见的粒子可以间接地探测看不见的暗物质粒子,“悟空”卫星希望通过高温电子和伽马射线寻找暗物质产生的信号。

常进表示,由于宇宙射线粒子十分复杂,“悟空”卫星面临粒子鉴别、动感范围、功耗有限三大技术挑战,“‘悟空’载天5年半,主要指标未发生变化,运行正常,我们希望‘悟空’号将给我们带来系列的重大成果。”

 

被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜(FAST)。

 

“天眼”:

中国天文从追赶到超越的成功尝试

历时22年跨世纪建设,银灰色的“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)于2020年正式运行,直径500米的它静静矗立在贵州平塘的群山之间,时刻记录、识别来自宇宙的讯号。这只射电望远镜的球形反射面约有30个足球场大小,自2020年阿雷西博望远镜坍塌以来,它被全球天文学界视为搜索地外文明信号的唯一希望。今年4月1日,“天眼”宣布正式对全球科学界开放。

“‘天眼’是中国天文从追赶到超越的一次尝试。”已故“中国天眼”工程的发起者、奠基人南仁东曾这样形容“天眼”。20世纪90年代,南仁东拒绝了国外高薪聘请,选择扎根祖国。2015年确诊肺癌后,他的学生、“中国天眼”首席科学家李菂接过衣钵,继续推进工程如期开展。

“2017年10月,我们公布了第一批科学发现,通过‘天眼’,我们看到了一颗新的射电脉冲星,周期是1.8秒,距离地球约1.6万光年。2019年,我们通过‘天眼’发现了第12颗脉冲星,它具有复杂的辐射现象,挑战了旋转木马经典辐射途径。”李菂介绍说,天文领域另一个热门前沿是快速射电爆,它能在千分之一秒内释放太阳一年的能量,FAST于2020年对其同样进行了有效监测。

“‘天眼’不仅代表探索宇宙的雄心和决心,也反映了中国对全人类在科学领域方面的贡献与作为。”李菂认为,正如他的老师南仁东所说,这个尝试现在刚刚开始。

 

“慧眼”:

到太空中阅读宇宙的“来信”

宇宙中的天体爆炸会产生丰富的X射线,研究、观察这类现象就需要使用X射线望远镜。由于X射线会被地球大气层吸收,因此需发射卫星到太空中去研究这类宇宙辐射。2018年,中国首颗X射线天文卫星正式交付并投入使用,为纪念推动中国高能天体物理发展的已故科学家何泽慧,科研人员将其命名“慧眼”作为纪念。

“去年4月28日,我们看到两个报道,美国和加拿大的射电天文望远镜分别发现了快速射电爆,方向来自银河系里面一个中子星,但是误差比较大。幸运的是,那时我们‘慧眼’卫星正在观测一个异常中子星,所以我们就决定启动‘慧眼’卫星,‘慧眼’卫星本质上是空间天文台,我们可以根据需要指向任何一个地方。”

“慧眼”太空望远镜首席科学家、中科院高能物理研究所粒子天体物理中心研究员张双南介绍说,10个小时之后,加拿大和美国的射电望远镜发现了射电信号,而时间分辨率高、有效面积大、覆盖能段宽、有效工作时间占比高的中国“慧眼”卫星在它们的信号之前8.6秒就收到了强烈的X射线爆发。

张双南介绍说,“慧眼”独一无二地证明了X射线信号和射电信号是来自一个天体的爆炸。

“剩下的问题是这个天体到底是什么?好在‘慧眼’卫星有定位能力,我们又在图像上把X射线爆发精确地确认下来。认证了X射线爆发和射电爆发的同一件事情都是来自中子星,这是人类第一次发现中子星可以做这件事情。”

地球是人类文明的摇篮,但人类不会永远躺在摇篮里。以“悟空”“天眼”“慧眼”为代表的科技成果,正在为人类命运共同体的建设贡献中国力量。

(《人民周刊》2021年第15期)

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