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國家天文臺FAST(中國天眼)首席科學家李菂:“三次意外”推動射電天文學不斷突破
2022-12-18 20:36:35   來源:財經網  分享 分享到搜狐微博 分享到網易微博

“尤文博士有些意外的重大發現開啟了現代射電天文學;阿雷西博望遠鏡這樣一個由雷達專家意外提出的偉大設備領先了世界半個世紀;它們所展現的宇宙探索的努力和精神,現在由克服意外困難的中國天眼繼承過來。我們希望繼承的不光是宇宙探索,同時也將更為正面和建設性的人類發展藍圖和精神,拓展到21世紀。”12月18日,國家天文臺FAST(中國天眼)首席科學家李菂在“《財經》年會2023:預測與戰略”上表示。

李菂給我們介紹了推動射電天文學領域不斷突破的“三次意外”:一是哈佛大學物理系的尤文博士意外的發現,開啟了現代射電天文領域;二是由雷達專家意外提出并建設了領先世界半個世紀的偉大設備——阿雷西博望遠鏡;三是通過中國天眼克服意外困難產生前沿成果,例如原創方法精確測量宇宙磁場、在快速射電暴(FRB)領域從追趕到引領等等。


(資料圖)

三次“意外”的事件,推動了現代射電天文學不斷突破,李菂希望中國天眼,不光要繼承前輩科學家們對深空和宇宙的不斷探索和努力,同時還要把人類發展更為正面和建設性的藍圖與精神拓展到21世紀。

以下是部分發言實錄:

主持人:感謝楊院士的精彩發言,楊院士從基礎科學開頭,最后講到了大家非常關注的卡脖子關鍵技術的突破問題。同時,楊院士也提到了實驗技術的變革,推動了科學世界觀的不斷演進,科學儀器對國民經濟、對科研的影響都是巨大的。他也提到了科學儀器、大科學裝置,我們還處在起步的階段,但中國有一個非常巨大的大科學裝置,就是中國天眼,在貴州的深山里,它是我國具有自主知識產權、世界最大、單口徑最靈敏的射電望遠鏡,我們今天請到了國家天文臺首席科學家李菂老師,他的科研成果入選了2021年中國科學十大進展,接下來期待李菂老師為我們帶來精彩的演講。

李菂:剛才唐老師講了微觀,楊老師講了宏觀,現在我們近一步進入“宇觀”。我今天的題目叫“三次意外”。在“宇觀”這個方向,中國有領先世界的大科學裝置——中國天眼,從天眼的夜景可以看到,可見光是可以透過鏡面的。它的主要優勢就是大,由我開始使用的一個度量,這口500米的‘大鍋’裝米飯,全世界每個人都能分兩碗以上。

這樣一個射頻的設備,能夠透光就能透風,也能透水,當電磁波的波長遠大于它布滿微小的孔洞時,就變成一個望遠鏡。它工作的頻段在G赫茲,也是人類無線電的通信頻段,也蘊含了宇宙非常重要的信號,特別是宇宙物質的主要組成成分,氫原子氣體。目前的宇宙觀由宇宙大爆炸啟始,之后膨脹,隨著密度下降能量轉化成物質,物質最簡單的原子成分就是氫原子,進一步演化形成了豐富多彩的宇宙。

原子氣體宇宙的第一次探測是1951年,由哈佛大學物理系的一個研究生尤文發現。他搭建了一個非常簡單的望遠鏡,后端卻有世界上最領先的電子設備,測量到了氫原子的超精細結構譜線,這一發現打開了一系列的新的天文學領域,特別是射電天文學。

尤文探索天文屬于不務正業。他是物理系的學生,本職工作是同步加速器,卻受到荷蘭天文學家1945年發表文章的啟發。2001年,在美國國家射電天文臺召開紀念此重大發現40周年的會上,我還見到尤文先生。他也回憶說,當時自己不知道提出這個原創想法的領先世界的科學家以及他的研究組正在非常積極的開展這個實驗。如果事先知道了,他根本不會嘗試。我每次回看這段歷史,都會震驚于一個細節:整個實驗沒有國家經費。尤文的計算,從前端到后端,加起來是500美金,由其博士導師給系里寫了一封信要錢,資助這個嘗試性的學生項目。

用這么少的錢做這么一個歷史性跨越的實驗,非常大的得益于一個人:二戰期間美國國防科學的領導人,范內瓦·布什(Vannevar Bush),他主要領導了美國戰時研究組織(OSRD),包括曼哈頓計劃的早期管理。美國科學研究局(OSRD)在MIT設置了一個無線電實驗室,主要做雷達的研究,巔峰時期擁有15000人。到尤文做實驗的時候,那個實驗室已經關門了,留下了大量的各種各樣非常先進的軍用但過剩的元器件。這些元器件以白菜價賣給了尤文,使他在這個工業基礎上得以做出跨時代的重要發現。布什對于后世最深遠的影響,應該是他在二戰結束時羅斯??偨y的一個戰略報告,即著名的“科學-無盡前沿”:明確了政府應該支持基礎研究和人才建設,核心是推動軍民融合(見美國自然科學基金網站公開總結)。

2018年早期,美國國家科學基金委員會(NSF)中國辦公室主任宋南希女士到中國天眼現場訪問,送給我這本書。到了2018年下半年,由于眾所周知的原因,北京的NSF辦公室關閉了。我很希望在我的有生之年,不光看到這個辦公室重新開啟,也能看到中國的自然科學基金的辦公室能開到紐約去。

尤文的發現開啟了現代的射電天文領域。但很快,橫空出世了一個真正數量級性能提高的設備:阿雷西博望遠鏡。這一雷達專家Gordon的設想對于天文是個意外。他的計算要300米的天線去探測等離子層雷達回波。300米什么概念?當時世界上天文的天線都在幾十米,很快有同事指出了計算中可能存在問題,原初科學目標很可能只需要30米。不過到了1958年底,美國新成立的先進項目委員會(ARPA),依然決定支持300米的這樣一個瘋狂、前瞻的想法。

這個驚人的歷史發展需要放到當時的國際環境中去理解。1958年底,正是人類偉大的空間競賽,大國角力、冷戰的開啟。蘇聯成功發射的第一顆人造衛星震撼了美國人民的靈魂,美國的幸運在于擁有錢學森創建的噴氣推進實驗室(JPL),在這個空間競賽里迅速跟進,并促使美國總統和國會在1958年中設立了航空航天局(NASA)。阿雷西博望遠鏡的誕生反映了西方長期的冷戰戰略。1946年喬治-凱南著名的《長電報》中總結“為了贏得冷戰,必須要規劃一個遠比過去更為正面和有建設性的世界藍圖”。阿雷西博望遠鏡是冷戰的直接后果,卻是這種正面藍圖精神的體現。

阿雷西博望遠鏡的橫空出世,引領了一個快速發展的現代科學前沿超過半個世紀,包括1993年獲得諾貝爾物理學獎。1996年中國科學院國家天文臺前輩、特別是南仁東先生為代表的天文學家第一次到西博望遠鏡現場考察,提出了中國天眼的概念。90年代后期我在康奈爾大學求學,在阿雷西博接受了自己學術生涯早期的射電天文訓練。2000年代初,我們利用阿雷西博望遠鏡觀測宇宙原子氫氣,有一個小發現,我命名為氫氣的窄線自吸收,英文簡寫HINSA。HINSA發表,我們及同行都意識到,其真正推動射電天文學的潛力在于星際磁場的測量。

文章是2003年發表的,在這之后將近20年的時間里,這個實驗意外的困難。我們及合作者和競爭者的大量嘗試全部失敗?;仡^審視,應該還是受設備的制約。阿雷西博望遠鏡的接收設備常常在鏡面上投出一個非常大的復雜陰影,反映了接收設備對來自宇宙的光線的遮擋。作為對比,中國天眼縮的接收設備產生的遮擋遠為輕微,使得FAST的信號更加精細,也更加干凈。

去年,我們很幸運的實現了用HINSA探針第一次測量其塞曼效應,成果發表在2022年首期《自然》雜志封面文章。FAST這一探測揭示了微弱的星際磁場,強度約為地球磁場的十萬分之一。這樣的“創新方法”(《自然》發表其資深編輯評述)所產生的“極為重要的觀測結果”(《自然》發表的領域權威短評),也得到國際同行的認可,認為它有潛在的“革命性”(《科學》引述同行專家)的意義。實際上,這一成果只是天眼從2020年正式運行以來的豐富成果的一小部分。三年來,有來自將近30個國家的各個天文子領域的科學家將開展近400個觀測項目,催生了超過150篇學術期刊論文,包括七篇《自然》,兩篇《科學》等重要的結果。

在一些新的前沿,我們已經能夠慢慢從學習到引領。以宇宙中無線電頻段最劇烈的爆炸現象-快速射電暴(FRB)為例。在這個領域里,僅以《自然》、《科學》為高影響刊物的量綱,FAST產生的《自然》《科學》文章在全世界占比從0增長到今年的70%以上。大意外里的一個小意外。

我希望能給大家留下一個印象:尤文博士意外的重大發現所開啟的現代射電天文學的領域,由阿雷西博望遠鏡這樣一個意外的由雷達專家提出的偉大設備引領了半個世紀。它們所展現的對于深空和宇宙探索的努力,現在由中國天眼繼承過來了。我們希望不光繼承的是對宇宙的探索,同時也是將代表人類發展更為正面和建設性的藍圖及精神拓展到21世紀。謝謝各位!

由《財經》雜志、財經網、《財經》智庫、財通匯聯合主辦的“《財經》年會2023:預測與戰略”12月17日至18日在北京舉行,論壇主題“應對發展挑戰 提振復蘇信心”。



[責任編輯:ruirui]






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