一雙奇異眼 讀取太空事丨“慧眼”識天文

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浙江新聞客戶端 記者 林婧

宇宙何其浩瀚，日、月、星在此棲息。不計其數的行星圍繞著無窮無盡的恒星翩翩起舞，引力隨著時間長河奔流不息，不停地扭轉著空間。時間對天上的星辰何其慷慨，在人類有限的生命之外，賦予了宇宙永恒。

仰望星河，我們時常在心中向往一場穿越宇宙的壯麗飛行。4月24日，“中國天眼”射電望遠鏡首席科學家李菂和“慧眼”衛星首席科學家張雙南受西湖大學湖心講堂邀請來到杭州，記者帶著對星河的神往與叩問，借此良機，請他們為讀者講述一場人類對太空的探險。

張雙南

“慧眼”識破快速射電暴

從經典電影《E.T.外星人》中刻畫的外星造訪者E.T.與10歲男孩的友誼到科幻小說《三體》中塑造的地球人類文明和三體文明的興衰曆程，外星文明一直是天文愛好者和天文學家神往已久的“新大陸”。而與之相關的天文現象之一便是快速射電暴。

“快速射電暴是射電信號，隨機發生，還會重複並伴隨周期性，好像是文明的活動。”著名天文學家、“慧眼”衛星首席科學家張雙南解釋道，“不僅是業餘愛好者猜測這是外星人活動留下的信號，哈佛大學天文系上一屆主任也寫文章論證這一可能性。”

快速射電暴真的是外星人在給我們“打電話”嗎？“慧眼”衛星的最新發現回答了這個問題。今年2月，“慧眼”衛星確認快速射電暴來自於中子星，這一研究成果正式刊發在英國《自然·天文學》雜志上，破解了快速射電暴的起源之謎。

張雙南回憶，去年4月下旬，他的一名學生提出想用“慧眼”衛星觀測一顆表現反常的中子星，這讓他有些糾結。研制和運行成本折算到觀測一天高達30萬元，並且事先批准的該天體的觀測時間甚至這類天體的觀測時間都已用完了，眼下能動用的只有他作為首席科學家的機動時間。“我那天在辦公室來回踱了一個小時下決心，最後我告訴他們，我們看60萬元的。”張雙南說。幸運的是，在啟動觀測不到10小時，快速射電暴發生了。

“我們同時看到了X射線信號，並在X射線爆發時找到兩個窄的脈沖，與射電信號的兩個脈沖相對應。毫無疑問，快速射電暴的爆發和X射線的爆發是同一事件。”張雙南的語氣帶著幾分興奮和自豪，“不僅如此，我們還利用慧眼衛星對它進行定位，X射線爆發來自於中子星，那麼快速射電暴同樣來自於中子星。”“慧眼”的這一發現被《自然》雜志和《科學》雜志雙雙評為2020年世界十大科學突破之一的“快速射電暴來自於中子星”作出了貢獻。

中子星是除黑洞外密度最大的星體，環境異常惡劣，不但人不能生存，人體內的原子也不能正常存在，因此科學家推斷上面難以存在生命。

通過X射線與宇宙溝通

“慧眼”衛星的全稱是硬Ｘ射線調制望遠鏡，與FAST射電望遠鏡龐大的體格不同，“慧眼”的身量小巧得多，只有2496公斤。它是我國第一個空間X射線天文衛星，搭載了高能、中能、低能三台X射線望遠鏡，具有覆蓋能段寬、在高能X射線能段的有效面積大、時間分辨率高、有效工作時間占比高等優點。

宇宙中天體產生的X射線是“慧眼”衛星的探測目標，通過觀測X射線輻射的特征，來了解天體的性質以及其中的物理過程。對於X射線我們並不陌生，醫院診斷拍片、地鐵過安檢，都使用了這一波長短、能量大的電磁波。

那麼，“慧眼”衛星是如何觀測黑洞的？張雙南舉了一個例子。去年9月，“慧眼”衛星發現了距離黑洞最近的高速噴流。“這是一個黑洞，我們觀測到X射線在靠近黑洞的地方能量比較高，在遠離黑洞的地方能量比較低。”張雙南指著屏幕上不斷變換的圓圈中心解釋道，X射線是由溫度非常高的等離子體產生的，說明黑洞附近噴出來的物質的等離子體不但溫度非常高，而且速度非常接近光速。“所以我們從高能到低能依次看到不同能量、不同位相的振蕩信號，由此推斷這個黑洞有這樣的噴流。”

由於地球大氣層對X射線具有強大的吸收能力，所以“慧眼”必須要“上天”才能通過X射線來觀測宇宙，但是發射X射線衛星並不是一件容易事，“慧眼”衛星從一個設想到最終發射成功經曆了15年之久。

除此之外，探測技術基礎差、少量關鍵元器件依賴進口、載荷研制隊伍航天工程經驗不足等，各種艱辛不可言說。一旦研制過程中引發一個“差之毫厘”的問題都需要研究人員花費數月甚至半年以上的時間排查和解決。

“2011年，這個衛星正式立項，同年我的老師何澤慧先生去世。所以這個衛星發射的時候我們命名為‘慧眼’衛星。意思就是，老師的眼睛在太空中，帶領地球上的我們來看宇宙。”張雙南說。

雖然“慧眼”衛星將在今年6月15日已經到了4年的設計壽命，但張雙南告訴記者，目前衛星和儀器的狀態都很好，而且取得的科學成果增加很快，並沒有明顯的衰減跡象，經評審後“慧眼”衛星被批准繼續運行2年。

科學自信成就文化自信

近日，上海交通大學和《科學雜志》聯合發布了125個科學問題，其中天文學領域占到了23個。天文學的研究也在過去的4年裏3次獲得諾貝爾物理學獎。

為什麼這門古老冷門的學科至今仍然是生機勃勃的最前沿，萬千天文學家仍葆有“雖千萬人吾往矣”的無畏精神？張雙南告訴記者，人們仰望星空是出於好奇心，西方科學家仰望星空最終誕生了現代科學，孕育出現代文明。天文學是現代科學的起源，科學自信是現代文化自信的基礎，包括天文學在內的科學自信必定會帶來文化自信，而這正是他們在做的事情。

1992年，張雙南在美國完成了博士後的研究，一次偶然的機會，他獲得了NASA的職位，從粒子物理回歸到天體物理領域。在NASA工作的期間，張雙南發明了一種新型圖像處理方法，之後又借此發現了兩個黑洞，引起學界轟動。1997年，他創造性地提出了一個目前廣為使用的測量黑洞自轉的方法，再次引起轟動。

然而，有些事卻讓取得巨大成就的張雙南心裏越發不是滋味。出國之前，在他的認知中，中國五千年的文明輝煌又偉大，中國人對天文學的貢獻也是巨大的。然而當打開大學的天文學教科書時，他發現書中除了考古的發現，沒有一句提到中國。現代天文學的理論中宇宙的演化、黑洞、中子星、穿越、蟲洞等發現，也沒有一件來自中國人。

“這件事讓我受到了巨大的刺激。”張雙南和記者分享道，“我說我不服，我要回到中國去，爭取能夠教導培養年輕人，讓下一代改變這個局面。”

2002年，張雙南在老師李惕碚院士的提議下，毅然放棄了優越的研究和生活條件回國，投入到研制中國第一枚空間望遠鏡——硬X射線調制望遠鏡的工作中。如今，年近花甲的張雙南至今仍謙虛地稱自己只是從教師那裏接手了“慧眼”衛星。

在工作之餘，風趣幽默的張雙南熱衷於科學傳播，曾被網友評為“2017年十大科學傳播人物”之一。今年4月，他還將人類認識宇宙的曆程和公眾好奇的天文學問題逐一進行梳理，出版了《極簡天文課》一書。

2018年，在接受光明網采訪時他表示，“我的科學研究短期內很少能夠直接產生經濟效益，對老百姓的生活也不會帶來直接回報，所以如果老百姓願意聽我‘講述’科學，我覺得這是我回報公眾的一種途徑。”