7年超1000颗脉冲星！中国天眼，不只寻找“宇宙灯塔”

摘要：作为世界最大的单口径射电望远镜，“中国天眼”FAST发现脉冲星数量突破1000颗，超过同一时期国际其他望远镜发现脉冲星数量的总和。射电望远镜是什么？脉冲星又是啥？“中国天眼”为什么要探测脉冲星？它还“看见”过什么东西？

作为世界最大的单口径射电望远镜，“中国天眼”FAST发现脉冲星数量突破1000颗，超过同一时期国际其他望远镜发现脉冲星数量的总和。射电望远镜是什么？脉冲星又是啥？“中国天眼”为什么要探测脉冲星？它还“看见”过什么东西？

可全天候观测的“中国天眼”

坐落在贵州省平塘县的“中国天眼”，也称为FAST，是世界上最大、最灵敏的单口径球面射电望远镜，它单口径500米，接收面积相当于近30个足球场，FAST的名字便是来自“500 米口径球面射电望远镜”（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）的英文缩写。FAST望远镜2020年初通过国家验收，并立即向全国天文工作者公开使用。

“中国天眼”全景（无人机照片，维护保养期间拍摄）。新华社发

恒星以及宇宙空间里的物质能够发出无线电波，这种无线电波被称为射电辐射。上世纪30年代，无线电天文学先驱卡尔·央斯基偶然发现了来自银河系中心的信号，射电天文学的大幕由此拉开，推动人类认识宇宙起源、生命起源。

射电望远镜和普通的天文望远镜有何区别？一般的天文望远镜，只能观测到其他天体发出的可见光，因此叫做光学天文望远镜，它无法接收到电波，且受限于光学望远镜的尺寸，很多遥远的天体无法用光学望远镜来探测。

而射电望远镜，可以用来测量从天空和宇宙中发来的射电辐射。射电望远镜通常由反射面或抛物面天线、接收器、信号处理器等组件组成，工作原理和常见的锅形天线接收器是一样的：来自太空的信号射入反射镜，反射镜将信号反射聚焦到接收器，接收器再将信号送到控制中心，处理后供用户使用。有人认为，与其称射电望远镜为“望远镜”，倒不如说是“雷达接收天线”。

因为FAST等射电望远镜对天体的观测以无线电接收技术为手段，而无线电波能够穿过云雾和尘埃，所以用它可以不受太阳光、云层等气象因素的影响，能够全天候接收来自宇宙的电磁波信号，连续进行观测。

星空下的“中国天眼”。新华社发

但是，射电望远镜也有一个致命的影响因素，那就是人类活动造成的电磁波干扰。所以射电望远镜最理想的设置环境，是可以提供纯净的电磁环境、远离城市的荒野地带。如果游客想要一睹 “中国天眼”的样貌，去到景区内参观时是不能携带手机、手表和电子产品的。

寻找宇宙中的“灯塔”

中科院国家天文台研究员韩金林介绍，“脉冲星的发现和研究，是国际上大射电望远镜关键科学目标之一，是在科学前沿‘逐鹿中原’的必争之地。”虽然人类对宇宙的探秘有了一定的历史，但是直到1967年，人类才发现了第一颗脉冲星。从1967年到2017年“中国天眼”宣布发现首批脉冲星，半个世纪中全世界总共发现的脉冲星不到3000颗。

据介绍，脉冲星是大质量恒星死亡后的“遗骸”，其最主要特征是质量大，量级约10万倍地球质量；半径小，仅10千米左右；密度极高，方糖大小的体积就有上亿吨的质量；磁场超强，表面磁场可达到人造最强磁场的百万倍；还具有极强的引力。由于这些特性，它被视为研究众多天文前沿问题的“天然实验室”。

射电脉冲星（中子星）假想图。来源：北京科协

观测脉冲星，除了为脉冲星物理、测时等理论研究提供重要数据支撑，还可助力检验广义相对论、探测低频引力波等。此外，脉冲星的自转周期非常稳定，有些在长期表现上堪与原子钟媲美，并且它们“永不断电”，将脉冲星和原子钟结合起来，可以建立长时间稳定的精准时间系统。

科学家们认为，每一颗脉冲星都有其特殊脉冲及稳定的转动频率，如果人类在未来能够实现“星际穿越”，脉冲星就相当于宇宙中具有特有信号标记的“灯塔”。“灯塔”数量足够多时，就可以一起构建人类星际旅行的“宇宙坐标系”。

“中国天眼”发现的1000余颗脉冲星中，包括大量毫秒脉冲星和脉冲星双星，丰富了脉冲星的种类和数量。北京大学教授徐仁新表示，“‘中国天眼’发现的脉冲星数量约占人类发现脉冲星总量的四分之一，其中不乏一些特别珍贵的样本，深化了人们对脉冲星形成、演化的认识。”

“中国天眼”，还发现了啥

中国的天文学家因FAST而得以站在人类视野的前沿。得益于“中国天眼”超高的灵敏度，除脉冲星领域的发现之外，中国科学家还在快速射电暴、中性氢等领域取得了一系列重要原创性成果，其中发现最短轨道脉冲星双星、捕捉纳赫兹引力波信号的初步证据等突破性进展，为FAST从追赶到领跑提供了强有力的支撑。

宇宙起源于约138亿年前的大爆炸，初生的宇宙温度极高，核合成后充满电离的氢元素。在快速冷却过程中，带电的氢元素逐渐复合成电中性的氢。所以，中性氢可用来追溯宇宙演化历史、研究星系物质分布以及可能的暗物质分布。2024年上半年，FAST发现了6个距离地球约50亿光年的中性氢星系，这是人类迄今直接探测到的最远的一批中性氢星系。此前，FAST已发现了4万多个中性氢星系样本。