科學大爆炸
和中國天眼一起“追星”
90后小伙兒牛晨輝被星空“震撼”過。
當時他在新疆，因為對天文儀器感興趣，主動請纓加入中國科學院國家天文臺暗能量射電探測關(guān)鍵技術(shù)實驗項目。那是由3組拋物柱面射電望遠鏡和16面碟形射電望遠鏡組成的天籟實驗陣列，始建于2014年。
觀測站所在地海拔高，空氣干燥，銀河系的“厚盤”懸于天穹，又仿佛近在咫尺。牛晨輝拿著星圖，和同伴們一起尋找熟悉或不熟悉的星座。他告訴中青報·中青網(wǎng)記者：“那個地方看到的星星，真的是太美了。也是從那時候開始，我對星空的感覺不一樣了，我對天文也開始產(chǎn)生了興趣。”
那次“看星星”的震撼，促使這名90后年輕人來到西南大山深處的中國天眼（FAST）繼續(xù)“追星”：2019年博士生畢業(yè)后，牛晨輝選擇加入中國科學院國家天文臺射電天文研究部，進入中國天眼首席科學家李菂研究員為學科帶頭人的星際介質(zhì)演化及恒星形成團組，研究起了“快速射電暴”。
團隊里大部分人都是牛晨輝的前輩和老師，和他年齡差不多的，有比他稍大幾歲的助理研究員王培，以及當時在讀的兩個博士生馮毅、張永坤。
2020年1月11日，中國天眼正式開放運行，按照李菂之前演講時的形容，“中國在無線電波段擁有了世界上最先進的設(shè)備”。從天文研究的角度來說，牛晨輝、張永坤等“天眼”背后的年輕人，趕上了一個好時代。
“中國天眼是建給下一代的，給更年輕的科學家和后來者”
張永坤是整個團隊里年齡最小的。
2019年，他從中國科學院大學本科畢業(yè)后直讀博士，李菂是他的導師。張永坤本科學的是物理，經(jīng)常去國家天文臺聽講座。他寫畢業(yè)論文的時候，剛好趕上中國天眼即將建設(shè)完成。
“咱們國家這么大一個望遠鏡項目，我很感興趣，想?yún)⑴c一下。”張永坤說。
于是他給李菂發(fā)了一封自薦的電子郵件。去國家天文臺“面試”，張永坤特地把自己的成績單都打印了出來，想給李老師看。
李菂卻說不用，然后跟他討論畢業(yè)論文選題，給他講中國天眼可以做些什么。也是從那時起，張永坤開始接觸快速射電暴（Fast Radio Burst，簡稱FRB），“這是我們年輕人大有可為的一個領(lǐng)域”。
快速射電暴是宇宙中一種神秘的爆發(fā)現(xiàn)象，是指在毫秒的時間內(nèi)，大約太陽一年才能輻射出的能量猛烈爆發(fā)出來。2007年，首例被發(fā)現(xiàn)的快速射電暴公布。但這種神秘現(xiàn)象的起源和物理機制，至今是未知的。
由于觀測設(shè)備更新及新技術(shù)應用，此后10余年，快速射電暴的個數(shù)，從早期的個位數(shù)增長到了目前近500例。早期被發(fā)現(xiàn)的快速射電暴，都只探測到一次爆發(fā)，被認為具有“不可重復性”。直到2016年，一類可以多次爆發(fā)的快速射電暴被重復探測到，固有認知才被打破。作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡，F(xiàn)AST在幾年前就已經(jīng)開展了快速射電暴的搜尋工作。
前不久，李菂團隊通過FAST的“多科學目標同時巡天”優(yōu)先重大項目，發(fā)現(xiàn)了迄今為止唯一一例持續(xù)活躍的重復快速射電暴FRB20190520B。北京時間2022年6月9日，該成果發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然》雜志，牛晨輝正是這篇論文的第一作者。
“這一觀測發(fā)現(xiàn)，對于理解FRB的周圍環(huán)境和物理起源具有非常重要的科學意義，快速射電暴從2007年被發(fā)現(xiàn)以來，一直是天文學領(lǐng)域中最前沿的研究方向之一，特別是其物理起源、輻射機制和周圍環(huán)境，是其中三個亟待解決的關(guān)鍵科學問題。”中國科學技術(shù)大學天體物理教授戴子高在該成果的發(fā)布會上說。
中國天眼正式運行兩年多，其獲取的數(shù)據(jù)催生了超過100篇學術(shù)論文。
1996年，國家天文臺老一輩的射電天文學家南仁東先生和邱育海先生，前往位于波多黎各島的阿雷西博望遠鏡，考察這一巨大射電望遠鏡。根據(jù)當時可預期的現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展前景，結(jié)合我國在工程方面的長處和短處，中國天眼的概念，在這兩位老天文學家的心中越來越立體。
2007年底，國家發(fā)展改革委批復500米口徑球面射電望遠鏡立項建議書。李菂曾在演講中回憶自己當年參與中國天眼建設(shè)時的經(jīng)歷，和他之前見到的天文觀測學者的工作“非常不同”。
這些“天眼”建設(shè)者們，在貴州山區(qū)里搬磚、種樹、熔接光纖……主要的工程團隊，在6年多的時間里都住板房，室內(nèi)沒有熱水和衛(wèi)生間。哪怕是如此艱苦，所有人仍然“保持著非常好的精神狀態(tài)”。
“最苦的路，已經(jīng)被前輩們蹚平了。”牛晨輝感慨。
南仁東經(jīng)常說的一句話是，“FAST是建給下一代的，給更年輕的科學家和后來者”。在李菂看來，中國天眼代表了中國射電天文學“從追趕到超越的一次嘗試”。
“能夠站在巨人的肩膀上，我深感幸運。”牛晨輝說。
從將近1000個小時的數(shù)據(jù)里，找到4次“眨眼”
迄今為止，中國天眼發(fā)現(xiàn)6個快速射電暴，其中4個是牛晨輝發(fā)現(xiàn)的。聽到別人提起這件事，他會低頭微笑，解釋自己只是幸運，正好趕上了中國天眼開始出成果的階段。
這份所謂的“幸運”，與辛勤和嚴謹是分不開的。
來自宇宙的電磁波信號，被500米口徑的球面“大鍋”接收到，用數(shù)字矩陣的方式呈現(xiàn)到研究者面前。按照張永坤的描述，中國天眼可以同時觀測天上的19個點，運行之后，每個點位每小時收到的數(shù)據(jù)，大約有2TB。
“我們主要的工作，就是處理FAST觀測到的數(shù)據(jù)。”張永坤對中青報·中青網(wǎng)記者說，“FAST一年大約有5000個小時的運行時間，估算下來，一年可能有幾十個PB這種量級的數(shù)據(jù)。我們團隊的項目，一年大概有上千個小時的數(shù)據(jù)要處理。”
大部分數(shù)據(jù)，實際上都是嘈雜的“噪聲”，來自宇宙中彌散的分子氣體、各種各樣天體發(fā)出的射電信號，還有來自地面的電磁波。而研究者們要找的快速射電暴，是疊在這些噪聲背景下，只存在幾毫秒的一個“眨眼”。
牛晨輝從將近1000個小時的數(shù)據(jù)里，找到了4次“眨眼”。
在系統(tǒng)處理中國天眼數(shù)據(jù)的過程中，牛晨輝發(fā)現(xiàn)，2019年5月20日的數(shù)據(jù)存在重復的高色散脈沖。在排除脈沖星和射電干擾后，研究人員確定，該脈沖來自一個新的快速射電暴，并將其命名為FRB20190520B。
基于這一發(fā)現(xiàn)，李菂團隊通過與美國甚大陣列望遠鏡合作，在2020年7月完成精確定位，探測到了一顆致密的持續(xù)射電源。此后，通過美國帕洛瑪200英寸望遠鏡和凱克望遠鏡，加拿大-法國-夏威夷望遠鏡和日本斯巴魯近紅外光學望遠鏡，研究者們確定了FRB20190520B的宿主星系和紅移。在進一步結(jié)合散射特征之后，研究團隊發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RB20190520B并不像其他快速射電暴一樣具有窗口期，而是持續(xù)活躍。
“該成果報告了一個新的快速射電暴，挑戰(zhàn)了我們對這些神秘現(xiàn)象宿主星系的認知。FRB20190520B是中國FAST望遠鏡首次發(fā)現(xiàn)的，隨后顯示，其平均每10-15分鐘重復一次。”美國西弗吉尼亞大學教授、快速射電暴發(fā)現(xiàn)人鄧肯·洛里默對這一成果作出了評價。
一起打球唱歌，一起坐在“冷板凳”上搞科研
“總會有讓人意外的新發(fā)現(xiàn)，永遠不知道還有什么顛覆的現(xiàn)象在前面等著。”李菂的另一名學生馮毅說。
今年3月，馮毅作為第一作者的論文在國際學術(shù)期刊《科學》上發(fā)表，指出牛晨輝發(fā)現(xiàn)的重復快速射電暴，處于一個類似超新星遺跡的復雜環(huán)境中。
不斷有新發(fā)現(xiàn)，對馮毅來說是一種美妙的體驗。他從小就對物理學著迷，在外行人眼里枯燥之極的數(shù)據(jù)篩選工作，對這個90后來說，只是一個等待的過程。
“最早發(fā)現(xiàn)FRB的時候，天文學家一度以為，快速射電暴都在銀河系外，結(jié)果突然跳出來一個新發(fā)現(xiàn)的FRB，竟然來源于銀河系內(nèi)一顆磁星。大家才知道，哦，原來銀河系里也有。”每每談及于此，馮毅的聲音里總有按捺不住的興奮。
牛晨輝關(guān)于快速射電暴的最新成果在《自然》上發(fā)表后，馮毅在社交平臺上轉(zhuǎn)發(fā)祝福：一串“黃豆表情”搭配由衷地贊揚——“牛巨星時代來臨！”
牛晨輝回復他：“還得馮天師多出點子。”
“巨星”和“天師”，這是團隊里4名青年研究者相互開玩笑的昵稱。王培、馮毅、張永坤是“天師”，天是“天眼”的天，也是彼此對未來的期許。
牛晨輝的“巨星”稱號，來源于中科院建院70周年的時候。院慶活動上，國家天文臺出了個節(jié)目，牛晨輝那時剛剛加入團隊，站在第二排中間的“C位”，從此成了小伙伴口中的“巨星”。
這些年輕人在科研的間隙，一起打球唱歌。他們都是聽著周杰倫和五月天的歌長大，也都向往科學熱愛科學，愿意坐在“冷板凳”上搞基礎(chǔ)研究。
牛晨輝經(jīng)常聽到的一個問題是，研究天文、研究30億光年之外的快速射電暴到底有什么用？他不知道該怎么回答這些問題。
他始終覺得自己的研究“很有意思”，探索本身，就是意義。
中青報·中青網(wǎng)記者 張渺 來源：中國青年報 【編輯:王禹】
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