“宇宙探索俱樂部”又添科學(xué)大裝置，“天籟”如何聽見宇宙的“回響”？

在大山邊、遠(yuǎn)離人群的地方，支起幾口“大鍋”，它們像朝著太陽的向日葵，終日面向天空。聆聽“天籟”就是它們的主要作用：坐標(biāo)地球，張開“雙耳”，去捕捉宇宙起源的“聲音”——

天籟陣列。圖源：國家天文臺(tái)

日前，位于我國新疆哈密的科學(xué)項(xiàng)目“天籟”實(shí)驗(yàn)，通過平方公里陣列天文臺(tái)認(rèn)證，入選平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）“探路者”。

“每個(gè)字都認(rèn)識(shí)，但完全看不懂？”在相關(guān)詞條的熱搜上，網(wǎng)友們表示“不明覺厲”。又一個(gè)科學(xué)大裝置，人類離宇宙探索進(jìn)程又進(jìn)一步？為此，記者聯(lián)系到天文領(lǐng)域科普專家、全國科普工作先進(jìn)者曹林，解讀“天籟”背后的科學(xué)原理。

射電望遠(yuǎn)鏡，是一個(gè)大型“收音機(jī)”

據(jù)相關(guān)媒體報(bào)道，“天籟”一詞，來源于莊子的《齊物論》，意為宇宙萬物自然之聲，“天籟”實(shí)驗(yàn)探測(cè)宇宙重子聲波，由此得名。

天籟柱形射電陣列 圖源：央視新聞

天籟項(xiàng)目由中國科學(xué)院國家天文臺(tái)主持建設(shè)，目前已建成的，是兩種構(gòu)型的望遠(yuǎn)鏡陣列：一個(gè)由3個(gè)柱面反射面天線組成的柱形射電陣列和由16個(gè)拋物面天線組成的碟形射電陣列。

它們的類型屬于“射電望遠(yuǎn)鏡”，并且“排兵布陣”，形成了一個(gè)較大的陣列。

“射電天文學(xué)是一門非常年輕，同時(shí)非常具有專業(yè)性的學(xué)科?！辈芰衷噲D用“大白話”介紹射電望遠(yuǎn)鏡的工作原理，但避不開的還是“電磁波”“宇宙大爆炸”“中性氫”等每個(gè)都能單獨(dú)延伸出一門課的天文詞匯。

《宇宙探索編輯部》劇照

首先從射電開始了解。在電影《宇宙探索編輯部》中，唐志軍（角色名）用電視的“雪花點(diǎn)”來接收來自外太空的信號(hào)，他對(duì)著銀幕外的人鄭重其事地說：“這不是普通的雪花點(diǎn)，這是宇宙誕生時(shí)的余暉。”

“這種說法其實(shí)并不準(zhǔn)確，老式電視的天線無法簡單地接收到宇宙微波輻射，但是人類確實(shí)是在無線電活動(dòng)中，逐漸發(fā)現(xiàn)了宇宙存在一個(gè)‘背景音’，這是宇宙大爆炸時(shí)的能量以微波形式存在的無線電輻射，分布到了整個(gè)宇宙當(dāng)中?！辈芰纸忉尩?。

“宇宙微波背景輻射就屬于一個(gè)大爆炸的‘遺跡’，屬于射電天文學(xué)的典型場景，而射電望遠(yuǎn)鏡就是觀測(cè)和研究天體射電波的設(shè)備?！辈芰纸榻B，無線電和微波我們平時(shí)所見的光都屬于電磁波，地球大氣層吸收了來自宇宙的大部分電磁波，只有?可見光和部分無線電波可以穿透，因此，天文學(xué)中將這些頻率在30MHz-300GHz的電磁波稱為射電波。

除了宇宙微波背景輻射，射電類天體比如中子星、脈沖星或星云、射電暴都能發(fā)出射電信號(hào)。曹林表示：“更通俗地看，射電望遠(yuǎn)鏡更像一個(gè)‘收音機(jī)’，通過接收不同的信號(hào)，可以去發(fā)現(xiàn)不同的天體現(xiàn)象，甚至它未來演化的進(jìn)程。”

地球望遠(yuǎn)鏡“組團(tuán)”掃描宇宙

中國科學(xué)院院士常進(jìn)曾在接受采訪時(shí)表示，我國這幾年天文學(xué)發(fā)展很快，現(xiàn)在是射電天文一枝獨(dú)秀。曹林認(rèn)為，此次“天籟”入選平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）“探路者”，正是對(duì)我國先進(jìn)射電天文技術(shù)的一種證明。

SKA是一項(xiàng)全球多國合資建造和運(yùn)行的新一代射電望遠(yuǎn)鏡，目前正在南非、澳大利亞建設(shè)，它的等效接收面積達(dá)平方公里級(jí)，以史無前例的超高靈敏度和科學(xué)發(fā)現(xiàn)能力，建成后將成為地球上最大、最先進(jìn)的科學(xué)設(shè)施之一。

“同口徑射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，所以人類會(huì)打造口徑巨大的望遠(yuǎn)鏡去提高觀測(cè)的靈敏度，”曹林介紹，“比如中國天眼FAST，它的口徑就能達(dá)到500多米。在很多科幻小說中，也會(huì)利用天體自身去作一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的功能，達(dá)成觀測(cè)目標(biāo)。”

中國天眼FAST 圖源：新華社

當(dāng)現(xiàn)實(shí)地理空間不夠時(shí)，聰明的地球人想到，如果把各種各樣的望遠(yuǎn)鏡放在一起，集合數(shù)據(jù)，排成一個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡陣列，來獲得更多具有科學(xué)價(jià)值的射電天文數(shù)據(jù)。

“如果站在宇宙視角，地球只是渺小的一個(gè)點(diǎn)。對(duì)于我們來說，國和國之間可能擁有遙遠(yuǎn)距離的射電望遠(yuǎn)鏡，一旦‘組團(tuán)’，就是突破了地理限制的，更大的地球‘收音機(jī)’?！辈芰终f。

可想而知，當(dāng)這只地球“巨眼”掃描宇宙，曾經(jīng)模糊不清的天體勢(shì)必將變得更加清晰，也將進(jìn)一步幫助人類認(rèn)識(shí)宇宙和基本物理規(guī)律。而此次入選成為“探路者”，天籟實(shí)驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)以及最新發(fā)現(xiàn)，將為SKA提供新的科學(xué)探索機(jī)遇，應(yīng)用到未來的射電望遠(yuǎn)鏡建設(shè)中。

仰望星空，和宇宙多作“溝通”

此次“天籟”實(shí)驗(yàn)的一大目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)神秘暗物質(zhì)，它無法被看見，但組成了宇宙總量的26.8%?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，暗物質(zhì)質(zhì)量所提供的引力保證了星系和星系團(tuán)的存在不四散橫飛，它也是驅(qū)動(dòng)宇宙加速膨脹的未知能量。

“關(guān)于暗物質(zhì)的研究還在起步階段，科學(xué)家們至今仍未找到暗物質(zhì)本身?！辈芰终J(rèn)為，“天籟”以中性氫探測(cè)研究為“鑰匙”，去搜尋暗物質(zhì)，正是走向宇宙起源奧秘的重要步伐。

日常生活中，我們無法感知到無線電或遙遠(yuǎn)星系的存在。但宇宙，是和我們遙不可及又息息相關(guān)的存在。

比如太陽黑子的活動(dòng)，會(huì)影響我們的衛(wèi)星活動(dòng)，進(jìn)一步影響手機(jī)信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)通訊等；又或者人類生命的誕生，是因?yàn)槲覀兲幵诹颂栂狄司訋е?，在這一范圍內(nèi)，水可以以液態(tài)方式存在，人體代謝才成為可能；再進(jìn)一步，天文學(xué)家卡爾·薩根曾說，我們身體里的氮，牙齒里的鈣、血液里的鐵，都是大爆炸時(shí)的萬千星辰散落而成……

“所以每個(gè)人都是星星的孩子，搜索宇宙、了解宇宙，發(fā)現(xiàn)宇宙的起源，從科學(xué)觀和人文觀上來說，都意義巨大?！辈芰终f道。

2024年8月12日夜間在湖北省武漢市黃陂區(qū)拍攝的英仙座流星雨。圖源：新華社

臨近10月30日“中國天文日”，曹林也期待更多的普通人能加入天文愛好者的隊(duì)伍。“仰望星空是人類的一種本能，了解它是開拓世界觀的過程，也是一次科學(xué)知識(shí)和科學(xué)素養(yǎng)的提升。”

“我覺得，每一個(gè)普通人能可以留心身邊的天體現(xiàn)象，比如流星、日食、月食、彗星，擁有一些觀測(cè)的基礎(chǔ)能力，是我們保持和世界溝通的方法?！辈芰终f。