“中國天眼”要邁出探索地外生命的步伐了。

　　科學(xué)家認為，宜居的星球除了應當有水、適宜的溫度和大氣外，還有一個(gè)必要條件——磁場(chǎng)。

　　作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡， 500 米口徑球面射電望遠鏡(FAST)將鎖定太陽(yáng)系外的太空，在距離地球約 100 光年的范圍內尋找與地球一樣擁有磁場(chǎng)的行星，助力尋找地外生命。近期，中法等國天文學(xué)家在《天文學(xué)及天體物理》雜志上發(fā)表了這一觀(guān)測計劃。

　　從零到一： 尋找首顆系外“磁行星”

　　磁場(chǎng)對于生命來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

　　“地球磁場(chǎng)牢牢抓住地球表面的大氣，避免其被太陽(yáng)風(fēng)吹走，隔絕了絕大多數強烈的宇宙射線(xiàn)，可保護生命不受射線(xiàn)的傷害。”中國科學(xué)院國家天文臺研究員、FAST 首席科學(xué)家李菂在接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)表示。

　　太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流，當這種等離子體流到達地球附近時(shí)，大部分流體會(huì )被地球磁場(chǎng)干擾，繞過(guò)地球繼續向太陽(yáng)系外圍前進(jìn)。其余的一小部分則隨著(zhù)地球磁場(chǎng)線(xiàn)進(jìn)入兩極，并與空氣碰撞，形成絢麗多彩的極光，而非直接照射到動(dòng)植物體身上。

　　那么，地球磁場(chǎng)是如何形成的?

　　“地球內部的高溫導致物質(zhì)融化，大量電離物質(zhì)特別是液態(tài)的鐵金屬，隨著(zhù)地球自轉長(cháng)期處于運動(dòng)之中，使地球形成了一個(gè)強度較穩定、具有南北磁極的磁場(chǎng)。”李菂告訴記者，目前關(guān)于地球磁場(chǎng)的細節問(wèn)題也是學(xué)界研究的熱點(diǎn)之一，如經(jīng)常出現磁場(chǎng)反轉、磁極加速移動(dòng)等。

　　在太陽(yáng)系的八大行星中，除了地球，還有 5 顆擁有行星尺度的磁場(chǎng)，分別是水星、木星、土星、天王星和海王星，這些行星磁場(chǎng)的形成機制與地球大致相同。而對于太陽(yáng)系外的空間，目前學(xué)界尚未真正探測到過(guò)擁有磁場(chǎng)的行星，但天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現了一些擁有磁場(chǎng)的褐矮星。褐矮星又被稱(chēng)為“失敗的太陽(yáng)”，因為它們相較于行星來(lái)講太大了，最輕的褐矮星質(zhì)量也有十幾倍的木星大小;而相對于在核內發(fā)生氫聚變的恒星來(lái)說(shuō)又很小。2018 年，研究人員發(fā)現了一顆質(zhì)量介于行星和褐矮星之間的天體(SIMP)，磁場(chǎng)比木星還要強 200 倍左右。

　　“這讓我們有理由相信，太陽(yáng)系外也會(huì )存在很多有磁場(chǎng)的行星，FAST 將要做的，就是突破這個(gè)零。”李菂說(shuō)。

　　提升“視力”： 擴展陣助分辨率提升百倍

　　在星際的巨大尺度中，磁場(chǎng)的探測永遠是個(gè)很難的問(wèn)題。

　　對于太陽(yáng)系內的行星結構、物理現象、甚至磁場(chǎng)，我們可采用發(fā)射探測器等方式直接探測。但系外行星對于空間探測器來(lái)說(shuō)，遙不可及。只能通過(guò)地球上或附近的空間望遠鏡等設備接收信號，測量恒星的位置和速度是否變化來(lái)推測其周?chē)欠翊嬖谛行?后來(lái)進(jìn)一步發(fā)展利用“掩星”或引力透鏡的現象進(jìn)行觀(guān)測，而上述常規的探測方式皆與行星內部的磁場(chǎng)相關(guān)度不高。

　　近 20 年來(lái)，一部分天文學(xué)家開(kāi)始鎖定射電信號，以期觀(guān)測行星的磁場(chǎng)。為何會(huì )選在射電波段呢?

　　“如果行星有磁場(chǎng)，那么在主恒星星風(fēng)的作用下，便會(huì )產(chǎn)生電磁輻射。特別是在射電這一頻率跨度很寬的波段。”李菂表示。再者，對于地面的射電望遠鏡而言，大氣層是“透明”的，即宇宙中的射電信號能量低、波長(cháng)長(cháng)，穿過(guò)大氣層時(shí)不易散射，能夠保留較為完整的信息被地面望遠鏡這雙“眼睛”接收。以木星為代表的大行星輻射就發(fā)生在射電波段，這也啟發(fā)人們在尋找其他同樣具有磁場(chǎng)的行星時(shí)重點(diǎn)關(guān)注射電信號。

　　“FAST 最大的優(yōu)勢在于接收射電信號的總面積很大，靈敏度高。”在李菂看來(lái)，FAST 單位接收面積的性?xún)r(jià)比也很高。雖然世界上存在綜合性能更強的射電望遠鏡，如某些陣列式望遠鏡，又如 8 臺望遠鏡構成、觀(guān)測首張黑洞照片的“事件視界望遠鏡”等，這些望遠鏡雖然分辨率更高，也能做很多 FAST 目前無(wú)法完成的觀(guān)測內容，但由于每個(gè)陣列單元都要有獨立的接收設備和傳送、處理信號裝置，因此成本將會(huì )指數級增長(cháng)。FAST 造價(jià)只有 12 億人民幣，而由 66 個(gè)望遠鏡單元組成的 ALMA 射電望遠鏡的造價(jià)為 10 億英鎊，折合成人民幣約 92 億元。

　　“FAST 已經(jīng)將靈敏度發(fā)揮到了極致，但由于口徑的限制，觀(guān)測系外行星時(shí)的分辨率還達不到理想要求。我們希望能夠建設 FAST 擴展陣，將空間分辨率提升 10—100 倍。”李菂透露，目前計劃采用 5 米口徑的天線(xiàn)和簡(jiǎn)易接收單元，在現有的“球面”周?chē)佋O成密集網(wǎng)，將原本 300 米有效基線(xiàn)擴大至幾十公里。為了節省成本，擴展陣的每個(gè)單元不設置數字信號處理裝置，而是利用光纖將接收到的電信號直接傳輸到在 FAST 的總處理器上。如此一來(lái)，“天眼”對于弱點(diǎn)源的響應性能將會(huì )大幅提升，“視力”進(jìn)一步提高。

　　打開(kāi)新窗： 或改變對地外生命現有認知

　　FAST 一旦接收到第一顆系外行星的射電信號，將意味著(zhù)打開(kāi)系外宜居行星探索的新窗口。

　　“當這種探測大范圍展開(kāi)后，很有可能會(huì )得到一個(gè)結論，即表明太陽(yáng)系之外行星磁場(chǎng)是普遍存在的。”李菂認為，雖然磁場(chǎng)并非地外生命存在的唯一條件，但作為保護生命的重要因素，未來(lái)愈發(fā)多樣、詳細的行星磁場(chǎng)的探測將會(huì )改變人們對地外生命的現有認知，甚至將為搜索智慧生命和地外文明提供助力。

　　以目前觀(guān)測到的數據，銀河系之內、太陽(yáng)系之外存在生命的條件是普遍存在的。“如果近期完全找不到地外生命的影子，反而是不可思議的。”李菂告訴記者，地球上各種極端條件下皆存在著(zhù)生命，人們在地外也探測到構成生命的C、H、O等必要元素和大量復雜分子。銀河系誕生了 100 多億年。恒星、行星、磁場(chǎng)、水以及足夠的時(shí)間，這些生命演化的必要因素齊備，為何不會(huì )存在地外生命?

　　很快，FAST 將會(huì )邁出這一步，擴展陣也將在3—4 年內建成，助力搜索系外行星的射電信號。

　　除此之外，FAST 將在 2019 年 9 月結束長(cháng)達 3 年的測試期，正式投入使用。超過(guò) 10 個(gè)國家和地區的天文學(xué)家的科學(xué)團隊正在從事 FAST 相關(guān)研究。李菂透露，以中國科學(xué)院國家天文臺為首的科研團隊已經(jīng)制定了兩個(gè)系統化的巡天計劃：FAST 多科學(xué)目標同時(shí)巡天計劃(CRAFTS)和銀道面及仙女座星系巡天計劃(GAS)。目前這兩個(gè)計劃已經(jīng)確立了相關(guān)模式，進(jìn)行了大量的技術(shù)測試，預期今年年底前正式展開(kāi)，將成為 FAST 系統科學(xué)產(chǎn)出的主要依據，預期發(fā)現上千顆脈沖星、幾十萬(wàn)個(gè)新的氣體星系、超過(guò) 100 億個(gè)像素點(diǎn)的新一代原子氫氣天圖。

　　“FAST 多個(gè)觀(guān)測項目，特別是兩個(gè)系統巡天計劃，將力爭在脈沖星黑洞系統、引力波源、基本物理常數、星系演化、生命的太空起源等方向催生重大突破。”李菂說(shuō)。
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