“中國天眼”的這一新發現, 終結天文界持續多年的一場爭論

大國重器——FAST

射電望遠鏡

作為一種能自動變焦的球狀射電望遠鏡，其成功落地，加速了中國在觀測脈衝星這一科技領域的進展，彌補了50年來與其他國家在接收太空星際訊號方面的差距。

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常見的

天文

望遠鏡大致可分為探測無線電的射線望遠鏡，探測可見光的光學望遠鏡以及探測其他射線的獨立望遠鏡。解析度和靈敏度是大型射電望遠鏡的兩大指標，天文學的發現史，可以說就是射電望遠鏡解析度和靈敏度的發展史。

射電望遠鏡

1960年，綜合大孔徑射電望遠鏡問世，天文望遠鏡解析度大幅度提升，從此天文學對於射電波的研究取得了突飛猛進的進展。

在上世紀60年代以後，天文學界取得了四個重大發現，分別是宇宙微波輻射、星際有機分子、類星體和脈衝波，這些成果的誕生都得益於射電望遠鏡各項指標的提升。

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天文學家們利用射電望遠鏡捕捉射電源訊號，尋找它的源頭，並透過科學分析將其從嘈雜的背景音中分離出來進行研究。如今的射電望遠鏡都設計成拋物面，電磁波在投射到鏡面後開始反射，旋轉的拋物鏡面能輕易達到將電磁波反射到同一焦點的目的，方便後續的記錄和研究。

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隨著人類對於天體研究的深入進行，射電望遠鏡在不斷更新換代。不得不承認的是，對於如今天文界研究焦點——快速射電波的觀測和研究還是得靠解析度和靈敏度更高的射電望遠鏡，而中國因為FSAT射電望遠鏡的存在毫無疑問已經成為這一研究領域的先驅。

中國天眼

FAST的誕生

自上世紀80年代新一代射電望遠鏡在歐美國家廣泛應用之後，天文學界對於宇宙中射電波的研究接連取得了巨大的成效。捕捉宇宙的訊號，成為擁有射電望遠鏡的部分國家的專利。

1993年8月26日，國際無線電科學聯盟大會在日本召開。來自世界各地的十餘個國家在會上提出合作建設大型射電望遠鏡的計劃，這樣大型的新一代射電望遠鏡由數千個方形的反射天線組成，大小約為一平方公里，是一種新型的射電陣。

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大會結束後，我國著名天文學家，也是此次的參會人員南仁東院士向中科院提出了建議，要在我國建設一臺超大口徑的射電天文望遠鏡。

這個創新而又大膽的想法在國內引發了激烈的討論，原因很簡單：在當時的中國最大口徑的射電望遠鏡只有25米左右，而放眼世界，也還沒有這樣的超級工程。在當時的國家天文界看來，這是一個不可能完成的任務。

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自投身中國天文學研究以來，南仁東深深感受到了沒有大國重器受制於人的複雜情緒。1989年6月，南仁東為太空電波研究再次奔赴美國，卻遭到了美方刁難。在當時使用望遠鏡需要提前預約，還要在當地辦理即使繁瑣的手續才能使用，科研成果也沒有隱私可言。

1994年7月，南仁東正式提出了建設“500米大口徑球面射電望遠鏡（FAST）”的工程計劃，並與當年正式啟動。

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這樣大型射電望遠鏡的建設需要考慮的因素眾多，從選址到材料、技術和施工，南仁東帶著科研團隊在準備了足足12年之後，最終敲定在貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣的一處大山谷中建設這一工程。

這臺坐落於貴州南部山區的“中國天眼”全稱是“500米口徑球面射電望遠鏡（英文簡稱FAST）”，整個工程從提出到落成花了22年，於2016年正式投入使用。

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中國天眼的重要地位

這個工程自誕生以來，保持了多項世界之最。

這是世界上口徑最大的射電望遠鏡，同時它的的反射面積高達25萬平方米，反射面相當於約30個籃球場。同時作為衡量射電望遠鏡的重要指標，它與世界第二大單鏡面射電望遠鏡（美國阿雷西博300米射電望遠鏡）相比，靈敏度是它的2。5倍以上，綜合性能提升了近10倍。

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天文學家預計，中國天眼會在世界範圍內保持20年以上的領先地位。

截止到2021年5月，FAST工程探測到的脈衝星已經超過了370顆，並在快速射電暴研究領域取得了重大突破。在人類研究脈衝星的60年曆史中，共發現了超過2600顆脈衝星，中科院國家天文臺認為，FAST執行以後發現的脈衝星數量將會是過去60年總數量的2-3倍。

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在中國建設FAST工程時，幾乎同一時期，國際天文界對於“快速射電波”的研究逐漸深入。

誰也沒有想到，這臺“世界上最大的射電望遠鏡”在建成5年後，就在天文界持續了接近15年的大爭論中一錘定音，再次確立了自己在射電波研究領域中獨一無二的重要地位。

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快速射電暴的出現

射電望遠鏡（FRB）是人類接收和研究射電波的基本工具，宇宙星體中的電磁波動通常以射電的形式被人類測探到，這些星際自然輻射的現象一直是天文界研究的重點之一。

“電磁輻射”這一概念一開始就是“射線”的理論基礎，射線的成分正是這些來自外太空的高能次原子粒子，在穿越地球大氣層時會產生二次粒子，一般來說，無線電波的爆發都是穩定持續的，但一種來自銀河系外的電波短暫爆發現象一直吸引著

科學家

的注意，這樣短暫爆發的射電脈衝輻射充滿了偶然性，科學家將這樣的射電現象稱之為“快速射電暴”。

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2007年，洛裡默（Lorimer）等人在澳大利亞射電望遠鏡的觀測檔案中找到了人類對這一現象最早的觀測記錄，這一快速射電暴的記錄時間是2001年，後來被視作第一例FRB現象，科學家命名為FRB—010724。

在此之前，“快速射電暴”就曾被觀測到，不過並未引起重視。這種外太空中神秘的閃光持續時間很短，爆發的時間只有短短的幾毫秒，但是能釋放出太陽在一整天內釋放出的能量，同時保持超乎其它星體的亮度。快速射電暴這樣單次爆發且爆發時間僅持續幾毫秒的射電現象，被人們觀測的歷史也並不久遠。

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2013年，快速射電暴的存在被天文物理學界確認，並被命名為“FRB”。2017年，快速射電暴第一次被找到宿主星系，併成功對其進行了定位。

直到現在，已經有幾百例快速射電現象被觀測到，只有少量的快速射電暴現象被反覆觀測到。在這幾百例快速射電暴現象中，十幾例已經被發現了射線的來源。如今快速射電暴現象的宇宙學起源已經得到確認，但確留下來更大的謎團，那就是它的起源。

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有關快速射電暴的爭論

射電望遠鏡對於快速射電暴這樣短暫出現的射電現象很難進行長時間的反射，因此並不能提供完整詳實的資料以作研究。

快速射電暴的成因被稱作是21世紀天文物理學界最大的謎題，圍繞它的起源的討論自世紀初開始一直存在。如今被普遍接受的兩大類理論分別是“磁星磁層說”和“粒子衝撞說”。

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前者認為，極強磁場中子星（磁星）是快速射電暴的來源，後者認為天體的碰撞產生粒子波動，帶電粒子和中性粒子的衝撞產生了快速射電暴。

2020年3月，國際FRB專題研討會召開，專家對FRB起源和FRB是否會重複暴發展開了討論，會議上非正式投票並未產生明確的結果，科學家們認為目前對於這一現象的認知還不夠深入。

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美國天文學會成員柯蒂斯曾表示：產生FRB類暴發的天體一旦被找到，將成為揭開快速射電暴起源的重要線索，毫無疑問中國的FAST已經走在了世界的前沿。

2020年11月4日，《Nature》雜誌發表了三篇報告銀河系內快速射電暴的論文。三篇論文分別來自加拿大氫強度測繪實驗望遠鏡（CHIME）、美國STARE-2望遠鏡以及我國的500口徑球面射電望遠鏡的觀測資料。

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這是第一次在銀河系內探測到除無線電波外輻射的快速射電暴，也讓磁星成為了目前唯一一個被觀測認證到能產生快速射電暴的天體。

三項重要的監測結果中，中國FAST望遠鏡結合了另外兩個資料來源，覆蓋了8個數量級的亮度空間，給出了有關這一銀河系內快速射電暴光源最精準的射電流量限制，為FRB起源指明瞭道路。

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中國FAST的新發現

這一綜合觀測效果使得科學家重新將目光聚焦在磁星上，在此之前，中國500口徑球面射電望遠鏡就已經在觀測研究快速射電暴領域取得了巨大成功。

磁星理論來源於1992年美國天文學家羅伯特·鄧肯的預言，中子星這樣小型天體為何能產生如此大的磁場，成為科學家後續研究的內容。

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2019年開始，我國天文臺觀測團隊測到了一個重複暴發的快速射電暴現象，得益於FAST的超高靈敏度，在當年的7月6日，這一現象再次被捕捉。

重複發生的快速射電波為科學家確認源頭提供了科學依據，透過對比射電波暴發時候的偏振，很快鎖定了快速射電波源可能是磁星磁層。

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2020年4月開始，有關快速射電暴和磁星磁層關係的有關研究在FAST的助力下進展迅速，直到2020年底，FAST望遠鏡的觀測資料被整理出來，這些觀測到的現象和科學研究的結果都表明：磁星磁層的物理運動引發了快速射電暴，這也直接為這次天文物理界的最大爭論畫上了句號。

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中科院國家天文臺陳學雷院士在接受國外媒體採訪時這樣說道：FAST對於研究快速射電暴現象來說意義非凡，憑藉領先全球的靈敏度和接收面積，我們可以更精準的定位脈衝輻射源。FAST的持續觀測使得快速射電暴這一現象的起源被認知是必然的。

結語

人類對於快速射電暴的認知相較於其他天文現象來說非常晚，由於快速射電暴的不規律性和瞬時性，科學家們對它的研究進展一直很慢。

中國天眼FAST望遠鏡的存在拉近了科學家與這神秘射電現象的距離，其憑藉自身領先世界的靈敏度和解析度成為了FRB探測研究領域絕對的王牌。

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Tips：截止到目前，FAST已經發現了至少5個新的快速射電暴源，探測到了約1200次快速射電暴重複暴發現象，為研究這一神秘宇宙現象提供了大量嚴謹的科學資料。

FAST的偉大發現指出了快速射電暴的物理機制，成為了研究FRB的里程碑式的事件。如今我國已經開放FAST專案合作，期待在不久的將來能和各國一起為揭秘宇宙做出更大的貢獻。

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