“慧眼”识破快速射电暴

　　从经典电影《E.T.外星人》中刻画的外星造访者E.T.与10岁男孩的友谊到科幻小说《三体》中塑造的地球人类文明和三体文明的兴衰历程，外星文明一直是天文爱好者和天文学家神往已久的“新大陆”。而与之相关的天文现象之一便是快速射电暴。

　　“快速射电暴是射电信号，随机发生，还会重复并伴随周期性，好像是文明的活动。”著名天文学家、“慧眼”卫星首席科学家张双南解释道，“不仅是业余爱好者猜测这是外星人活动留下的信号，哈佛大学天文系上一届主任也写文章论证这一可能性。”

　　快速射电暴真的是外星人在给我们“打电话”吗？“慧眼”卫星的最新发现回答了这个问题。今年2月，“慧眼”卫星确认快速射电暴来自于中子星，这一研究成果正式刊发在英国《自然·天文学》杂志上，破解了快速射电暴的起源之谜。

　　张双南回忆，去年4月下旬，他的一名学生提出想用“慧眼”卫星观测一颗表现反常的中子星，这让他有些纠结。研制和运行成本折算到观测一天高达30万元，并且事先批准的该天体的观测时间甚至这类天体的观测时间都已用完了，眼下能动用的只有他作为首席科学家的机动时间。“我那天在办公室来回踱了一个小时下决心，最后我告诉他们，我们看60万元的。”张双南说。幸运的是，在启动观测不到10小时，快速射电暴发生了。

　　“我们同时看到了X射线信号，并在X射线爆发时找到两个窄的脉冲，与射电信号的两个脉冲相对应。毫无疑问，快速射电暴的爆发和X射线的爆发是同一事件。”张双南的语气带着几分兴奋和自豪，“不仅如此，我们还利用慧眼卫星对它进行定位，X射线爆发来自于中子星，那么快速射电暴同样来自于中子星。”“慧眼”的这一发现被《自然》杂志和《科学》杂志双双评为2020年世界十大科学突破之一的“快速射电暴来自于中子星”作出了贡献。

　　中子星是除黑洞外密度最大的星体，环境异常恶劣，不但人不能生存，人体内的原子也不能正常存在，因此科学家推断上面难以存在生命。

　　通过X射线与宇宙沟通

　　“慧眼”卫星的全称是硬Ｘ射线调制望远镜，与FAST射电望远镜庞大的体格不同，“慧眼”的身量小巧得多，只有2496公斤。它是我国第一个空间X射线天文卫星，搭载了高能、中能、低能三台X射线望远镜，具有覆盖能段宽、在高能X射线能段的有效面积大、时间分辨率高、有效工作时间占比高等优点。

　　宇宙中天体产生的X射线是“慧眼”卫星的探测目标，通过观测X射线辐射的特征，来了解天体的性质以及其中的物理过程。对于X射线我们并不陌生，医院诊断拍片、地铁过安检，都使用了这一波长短、能量大的电磁波。

　　那么，“慧眼”卫星是如何观测黑洞的？张双南举了一个例子。去年9月，“慧眼”卫星发现了距离黑洞最近的高速喷流。“这是一个黑洞，我们观测到X射线在靠近黑洞的地方能量比较高，在远离黑洞的地方能量比较低。”张双南指着屏幕上不断变换的圆圈中心解释道，X射线是由温度非常高的等离子体产生的，说明黑洞附近喷出来的物质的等离子体不但温度非常高，而且速度非常接近光速。“所以我们从高能到低能依次看到不同能量、不同位相的振荡信号，由此推断这个黑洞有这样的喷流。”

　　由于地球大气层对X射线具有强大的吸收能力，所以“慧眼”必须要“上天”才能通过X射线来观测宇宙，但是发射X射线卫星并不是一件容易事，“慧眼”卫星从一个设想到最终发射成功经历了15年之久。

　　除此之外，探测技术基础差、少量关键元器件依赖进口、载荷研制队伍航天工程经验不足等，各种艰辛不可言说。一旦研制过程中引发一个“差之毫厘”的问题都需要研究人员花费数月甚至半年以上的时间排查和解决。

　　“2011年，这个卫星正式立项，同年我的老师何泽慧先生去世。所以这个卫星发射的时候我们命名为‘慧眼’卫星。意思就是，老师的眼睛在太空中，带领地球上的我们来看宇宙。”张双南说。

　　虽然“慧眼”卫星将在今年6月15日已经到了4年的设计寿命，但张双南告诉记者，目前卫星和仪器的状态都很好，而且取得的科学成果增加很快，并没有明显的衰减迹象，经评审后“慧眼”卫星被批准继续运行2年。

　　科学自信成就文化自信

　　近日，上海交通大学和《科学杂志》联合发布了125个科学问题，其中天文学领域占到了23个。天文学的研究也在过去的4年里3次获得诺贝尔物理学奖。

　　为什么这门古老冷门的学科至今仍然是生机勃勃的最前沿，万千天文学家仍葆有“虽千万人吾往矣”的无畏精神？张双南告诉记者，人们仰望星空是出于好奇心，西方科学家仰望星空最终诞生了现代科学，孕育出现代文明。天文学是现代科学的起源，科学自信是现代文化自信的基础，包括天文学在内的科学自信必定会带来文化自信，而这正是他们在做的事情。

　　1992年，张双南在美国完成了博士后的研究，一次偶然的机会，他获得了NASA的职位，从粒子物理回归到天体物理领域。在NASA工作的期间，张双南发明了一种新型图像处理方法，之后又借此发现了两个黑洞，引起学界轰动。1997年，他创造性地提出了一个目前广为使用的测量黑洞自转的方法，再次引起轰动。

　　然而，有些事却让取得巨大成就的张双南心里越发不是滋味。出国之前，在他的认知中，中国五千年的文明辉煌又伟大，中国人对天文学的贡献也是巨大的。然而当打开大学的天文学教科书时，他发现书中除了考古的发现，没有一句提到中国。现代天文学的理论中宇宙的演化、黑洞、中子星、穿越、虫洞等发现，也没有一件来自中国人。

　　“这件事让我受到了巨大的刺激。”张双南和记者分享道，“我说我不服，我要回到中国去，争取能够教导培养年轻人，让下一代改变这个局面。”

　　2002年，张双南在老师李惕碚院士的提议下，毅然放弃了优越的研究和生活条件回国，投入到研制中国第一枚空间望远镜——硬X射线调制望远镜的工作中。如今，年近花甲的张双南至今仍谦虚地称自己只是从教师那里接手了“慧眼”卫星。

　　在工作之余，风趣幽默的张双南热衷于科学传播，曾被网友评为“2017年十大科学传播人物”之一。今年4月，他还将人类认识宇宙的历程和公众好奇的天文学问题逐一进行梳理，出版了《极简天文课》一书。

　　2018年，在接受光明网采访时他表示，“我的科学研究短期内很少能够直接产生经济效益，对老百姓的生活也不会带来直接回报，所以如果老百姓愿意听我‘讲述’科学，我觉得这是我回报公众的一种途径。”