按照早已制定的方針，FAST將於今年4月1日正式對全球科學界開放，徵集來自全球科學家的觀測申請。FAST目前的觀天成果如何？未來又將如何承載全人類的夢想繼續開展星際探索？帶著這些問題，記者近日採訪了中國科學院院士、FAST科學委員會主任武向平。
文｜本刊記者 馮琳
武向平
美國當地時間2020年12月1日，位於波多黎各的阿雷西博（Arecibo）射電望遠鏡不幸坍塌。這一消息使得人類觀天僅剩的另一隻“大眼睛”——“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，簡稱FAST），再次受到世界矚目。令人欣慰的是，自2020年1月通過驗收以來，FAST設施運行穩定可靠，已經取得一系列重大科學成果。中國科學院院士、FAST科學委員會主任武向平表示：“中國是一個大國，我們將堅守大國胸懷，在構建人類命運共同體的新時代背景下自今年4月1日起把FAST向全世界開放。我們希望FAST能夠帶動我國的射電天文學界走向國際前沿，和國際團隊一起為人類認識宇宙、探索宇宙奧秘、推動人類文明的進步作出重大貢獻。”
首年或分配10%觀測時間
給國外科學家
射電望遠鏡（radio telescope），是觀測和研究來自天體的無線電波的基本設備。早在20世紀30年代，美國人G．雷伯成功研製出了世界上第一架專門用於天文觀測的射電望遠鏡。雖然這架望遠鏡的口徑僅有9.45米，非常簡陋，卻開啟了射電天文學的發展歷程。
自此，射電望遠鏡也隨著射電天文學的發展越建越大。因為口徑越大，觀測靈敏度就越高。擁有高靈敏度、高分辨率的射電望遠鏡，才能讓我們在射電波段“看”到更遠、更清晰的宇宙天體。
“1963年，美國人開始啟用口徑達305米的阿雷西博望遠鏡。在2016年FAST建成之前，它一直是世界最大的單口徑射電望遠鏡。阿雷西博望遠鏡位居世界射電望遠鏡的‘霸主’地位長達50多年，取得了許多重大的科學發現。”武向平介紹說，“此後，我們的500米口徑射電望遠鏡——‘中國天眼’FAST登場了。”
“中國天眼”FAST是中國歷時20餘年，在近百名科研工作者前赴後繼的巨大努力下設計建設完成的巨型射電望遠鏡。2016年9月，FAST落成啟用，並在2020年1月通過國家驗收。其反射面面積相當於大約30個標準足球場，靈敏度是阿雷西博望遠鏡的2.5倍以上，無可爭議地成為世界最靈敏的射電望遠鏡。
早在1994年，人民科學家、時代楷模南仁東先生就提出了FAST的構想。17年後啟動建設，用了5年半時間建成，又花了3年多進行調試，到2020年1月11日FAST才正式運行。所以，FAST從選址預研到最終完成的整個過程是漫長而艱辛的。
FAST通過驗收並正式“服役”後，迅速成為國內天文界工作者激烈競爭的“香餑餑”。能使用FAST進行觀測，是許多射電天文學家的夢想。
於是在2020年2月，FAST正式啟動了科學委員會遴選出的5個優先和重大項目，近兩百名科學用戶開始使用並處理FAST的科學數據。2020年4月，FAST時間分配委員會開始向國內天文界徵集自由申請項目。接到170餘份申請，申請的總時間約5,500個小時，實際批准1,500個機時，也就是說只有30%的申請能得到支持，可見競爭之激烈！
“2021年開始，FAST將對全世界科學家開放。”武向平激動地說，“雖然FAST是中國人掏錢建的，但是我們要秉持著構建人類命運共同體的理念，讓全世界科學家都能使用它。”
在中國科學院國家天文台主導建設之初，即確立了FAST將按國際慣例逐步開放的原則，以更好地發揮其科學效能，促進重大科學成果產出，為全人類探索和認識宇宙作出貢獻。
自2021年4月1日起，各國科學家可以通過在線方式向中國科學院國家天文台提交觀測申請，申請的項目將交由FAST科學委員會和時間分配委員會進行評審、提出項目遴選建議，並於8月1日起分配觀測時間。FAST面向全球科學界開放的第一年，預計分配給國外科學家的觀測時間約佔10%。
按照科學目標和相關戰略規劃，FAST已確立多個優先和重大項目，其中包括多科學目標漂移掃描巡天、中性氫星系巡天、銀河系偏振巡天、脈衝星測時、快速射電暴觀測等，但觀測申請不限於這些領域。
“中國天眼”將於今年4月1日正式對全球科學界開放。圖為2020年1月11日於檢修期間拍攝的“中國天眼”全景(圖:新華社)
中國首次在自己國土上
發現新的脈衝星
2016年在FAST建成之時，習近平總書記曾發來賀信，專門強調希望高水平管理和運行好這一重大科學基礎設施，“早出成果、多出成果，出好成果、出大成果”，努力為建設創新型國家、建設世界科技強國作出新的更大的貢獻。
“習近平總書記對我們的期望非常高，實際上FAST最新取得的兩大成果也是落實總書記指示的一個體現。”武向平向記者表示。武向平所指的兩大成果，即FAST在快速射電暴方面的最新研究。正是得益於FAST的順利運行，我國相關科研團隊迅速成為國際快速射電暴領域的核心研究力量。
其中一項研究成果，是北京大學教授、中國科學院國家天文台研究員李柯伽研究團隊利用FAST探測到一例全世界僅有21例的快速射電暴重複爆FRB180301，在國際上首次發現該重複爆的輻射具有非常豐富的偏振特徵。這一觀測為快速射電暴的輻射起源提供了新的信息，顯示了磁層在快速射電暴輻射機制中的作用。該成果論文已於北京時間2020年10月29日在國際科學期刊《自然》雜誌上正式發表。
另一項成果是，北京師範大學林琳博士、北京大學張春風博士、中國科學院國家天文台王培博士等聯合研究團隊利用FAST對銀河系磁星軟伽馬重複暴源SGR 1935+2145進行多波段聯合觀測。在SGR 1935+2145發生高能暴發的同時，借助FAST超高的靈敏度對射電波段流量給出了迄今為止最嚴格的限制。該成果論文於北京時間2020年11月5日在國際科學期刊《自然》雜誌發表。
FAST近一年來已經提供觀測服務超過5,200個機時，基於FAST數據發表的高水平論文達到40餘篇。
武向平說：“在FAST建成之前，我們國土上那些小口徑的射電望遠鏡從來沒有發現過新的脈衝星，我們都是在別人發現脈衝星後再做後續觀測。而FAST開啟了我們第一次能夠利用自己的望遠鏡發現新的脈衝星！”
脈衝星是致密的中子星，因它不斷地發出電磁脈衝信號而得名。脈衝星的質量密度非常致密，轉動非常規則，可以作時鐘或導航使用。一直以來，天文學家們對脈衝星的觀測十分狂熱，歷史上脈衝星的發現和探測曾獲得過兩項諾貝爾物理學獎。
為什麼中國此前無法直接發現脈衝星？武向平解答道：“天文學是依賴觀測設備的科學，沒有觀測設備就只能是紙上談兵。這就是為什麼在FAST之前，我們在自己的國土上並沒有看到新脈衝星，因為望遠鏡的口徑不夠大、靈敏度不夠高。”
“雖然人類第一次發現脈衝星是在1967年，我們中國人發現脈衝星是50年之後，但是我們要看到其中巨大的進步。”武向平說，FAST不僅實現了中國國土上發現脈衝星零的突破，而且已經發現脈衝星數量超過280顆。當記者好奇地問：“FAST的這些發現對我們大眾來說有什麼用呢？”武向平笑答：“這些發現看起來距離我們普通人的實際生活都非常遙遠，但是它促使我們理解了宇宙中一些奇異天體的物理性質，比如我們生活中碰不到的東西在天上都會碰到。天上有非常強的磁場、非常強的引力場、非常熱的天體。宇宙中存在著非常極端的物理過程、存在著自然的實驗室，可以幫助檢驗我們得出的物理規律是不是正確。在地面上做不到的科學實驗，我們在天上可以實現。”
2019年8月30日，“微重力蜘蛛人”在500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)上進行首次巡檢實驗(圖:新華社)
未來FAST將與中國其他射電望遠鏡
組成射電干涉網絡
在武向平看來，目前FAST所取得的科研成果只是證明了望遠鏡科學產出所能達到的高度，“但這不應該是終點，而是一個新的起點”。關於FAST下一步將開展的科學探索，武向平向記者一一作了介紹。
浩瀚星空、廣袤蒼穹，“追星”依然是FAST未來的一項重要任務。“人類目前已發現的脈衝星接近3,000顆了，我們希望通過FAST用5年的時間把這一總量提高，比如再增加1,000顆脈衝星。”武向平展望道。
目前FAST觀測到的都是銀河系內距離地球比較近的脈衝星，武向平還想試試讓它看到銀河系外的脈衝星。“我們定的目標是要看仙女座大星雲，這是一個和我們銀河系差不多的旋渦星系。如果FAST能夠看到銀河系外的一顆脈衝星，那將是對FAST靈敏度的一個最好的檢測。”
不僅要看得更多、看得更遠，FAST還被期待能看得更精、更細。“在FAST找到1,000顆脈衝星後，我們希望其中包含一些有趣的脈衝星，比如脈衝星對，脈衝星對的發現可以檢驗引力理論。我們更期望FAST能找到一個黑洞和一顆脈衝星的雙星系統，它可以準確檢驗時空性質的變化。如果我們能在未來新發現的1,000顆脈衝星中找到一顆與黑洞成對的雙星體系，將會是一項非常重大的科學發現。”武向平稱。
除了單打獨鬥，FAST未來還要團隊作戰，將在一個強大的中國望遠鏡干涉陣列（Chinese VLBI Network）中與其它成員協同工作。
對此，武向平介紹道，雖然FAST最為著名，但其實還有很多可以轉動的射電望遠鏡遍布在我國國土，其範圍從北京、上海、雲南至青海、新疆、內蒙古。這其中有4個望遠鏡——位於烏魯木齊的26米口徑望遠鏡、位於上海的65米口徑望遠鏡、位於昆明的40米口徑望遠鏡以及位於北京的50米口徑望遠鏡，目前共同組成了中國長基線射電望遠鏡干涉陣列。
武向平進一步透露，這幾個望遠鏡的口徑看起來似乎還不夠大，新疆正在籌劃建設110米口徑望遠鏡，雲南已經啟動建設120米口徑望遠鏡，再加上FAST這一500米口徑望遠鏡，未來會形成一個非常龐大的中國射電干涉網絡，這意味著我國將拥有世界上最強大和最靈敏的“干涉網絡”。這一網絡不僅可以用做天文學研究，也可以應用於深空探測等領域。
對於天文愛好者乃至一般公眾來說，FAST也有其它的功能，比如它可以做一項有趣的工作——尋找地外文明，某種程度上會在滿足人們好奇心的同時進一步激發我們的“窺探”欲。
武向平說：“因為FAST的口徑非常大，靈敏度足夠高，能夠捕獲宇宙中極其微弱的信號，所以它能夠監聽更多的天體。利用這些優勢，即使FAST未來未能找到外星人，但它至少能夠回答，在太陽系外多少範圍之內我們沒有監聽到智慧生命的信號。”
2020年10月28日，中國科學院紫金山天文台青海觀測站工程師顏昆在檢查13.7米毫米波射電望遠鏡設備運行狀況(圖:新華社)
歡迎香港科學家和科研團隊
參與FAST觀測
從參與FAST的建設、啟用到組織科研項目，再到見證FAST出好成果、出大成果，武向平倍感欣慰。而最令他自豪的是，“有了FAST這一大國利器，我們國家在射電天文學界的地位馬上不一樣了！無論是在設備上還是科學家隊伍方面，都走到了世界第一梯隊！”
雖然如今FAST是人類觀天僅剩的一隻“大眼睛”，但它依然面臨著壓力和挑戰。目前，國際天文學界籌備許久的一項國際大科學工程——平方公里陣列射電望遠鏡SKA（Square Kilometre Array）已經開始建設，當然中國也是主要發起方和參與方之一。SKA由2,500個15米口徑拋物面天線、250組中頻陣列和130萬隻對數周期天線低頻陣列組成，分布範圍大約3000公里，建成後將等效為一個反射面積高達1平方公里的超大望遠鏡，其靈敏度將比目前世界上最大射電望遠鏡陣列的靈敏度提高約50倍，巡天速度提高約1萬倍。
隨著SKA的建設，FAST的“霸主地位”是否會被取代？中國射電天文學未來又將何以處之？
對此，武向平已了然於胸。“我們現在已經有了非常好的布局。SKA是一大堆小望遠鏡組合起來的大設備，它的接收面積很大、指向靈活、覆蓋面也很大、巡天速度很快、分辨率高。而FAST靈敏度很高，分辨率和跟蹤時間是劣勢，但是一旦把FAST放到國際射電望遠鏡甚長基線干涉陣列（VLBI）里去，整體VLBI的靈敏度就會增強，它會極大地提高我國在國際干涉陣列聯盟里的權重。所以不必擔心10年以後FAST就沒用了，SKA建成後，FAST仍將發揮非常重要的作用。”
不過武向平也坦言，由於SKA正在布局建設，所以FAST的優先窗口期只有10年左右的時間。他希望FAST能夠利用這黃金10年，在SKA工作之前搶先取得非常重大的發現，並制定今後的發展路線圖，考慮幾隻“大眼睛”組成FAST陣列FASTA，稱霸射電天文至少50年。
“中國射電天文學的發展戰略已經制定得非常清晰了。我們要立足國內的FAST，同時要瞄準國際的SKA。我們既要自主研究，也要國際合作。我們既有自己的單一口徑望遠鏡，我們也參與國際的干涉陣列。”武向平表示，“我們的目標也非常清楚，一是中性氫宇宙學，二是脈衝星搜尋以及引力波探測，當然我們還要尋找地外文明等等。”
採訪最後，記者詢問是否有香港的科研團隊參與或申請FAST項目。武向平介紹說目前還沒有。“雖然香港本地不適合架設射電望遠鏡設備，但香港有非常優秀的天體物理學家，期待他們將來會參與到FAST的觀測中來。”
“FAST項目未來是否會考慮吸納香港的人才一起加入呢？”記者問。
“會！”武向平答道，“如果香港的科學家和科研團隊有興趣參與FAST觀測，我們一定十分歡迎！而且香港天文學家做的工作一直都非常優秀，儘管他們研究領域的工作波段和FAST暫時不一樣，但是我們看到天文學已經進入了多信使時代，FAST一定會為香港的天文學家創造更多的機遇和提供新的研究平台。”
本文發表於《紫荊》雜誌2021年2月號
監製：連振海
編輯：李博揚
校對：莫潔瑩
