發(fā)現(xiàn)脈沖星！
崔辰州
國家天文臺(tái)虛擬天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)首席
大家下午好。我是來自中國科學(xué)院國家天文臺(tái)的崔辰州。
每次看剛才的這個(gè)短片，我的心情都難以平靜。有三個(gè)原因。第一個(gè)原因是緊張，每位來到這里的講者都有點(diǎn)緊張，我也是。第二個(gè)原因是自豪，以國家天文臺(tái)為首的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)把FAST中國天眼打造成了我們的大國利器，我作為國家天文臺(tái)的一員，感覺真的很自豪。
中國天眼總設(shè)計(jì)師、總工程師南仁東
當(dāng)然FAST有很多的技術(shù)創(chuàng)新。第一個(gè)創(chuàng)新就是它利用了貴州省喀斯特洼地這樣一個(gè)天然的“鍋”做臺(tái)址，給我們建造FAST節(jié)省了大量的成本。
當(dāng)時(shí)他們很激動(dòng)，以為找到了傳說中的“小綠人”。小綠人是什么？是一個(gè)科幻小說里面說到的火星人，或者說地外生命。但是后面就讓他們失望了，因?yàn)樗麄冇职l(fā)現(xiàn)了多次周期性出現(xiàn)的脈沖信號(hào)。后來搞懂了，原來他們發(fā)現(xiàn)了一種新的天體，叫做脈沖星。
那脈沖星到底是什么呢？其實(shí)脈沖星是一種中子星。我們知道天上有很多恒星，恒星發(fā)光發(fā)熱，為什么發(fā)光發(fā)熱呢？是因?yàn)樵谒鼈兊暮诵挠幸粋€(gè)巨大的核聚變的反應(yīng)堆，氫元素聚變成氦元素。當(dāng)恒星這些燃料慢慢燒得差不多了的時(shí)候，會(huì)爆炸開來，也就說恒星會(huì)走向死亡。
不同質(zhì)量的恒星死亡、爆炸的時(shí)候留下的痕跡，或者叫做歸宿，是不一樣的。小質(zhì)量的恒星爆炸之后，它會(huì)變成一顆白矮星；中等質(zhì)量的恒星爆炸，這個(gè)過程就叫做超新星的爆發(fā)，爆發(fā)之后會(huì)留下一顆中子星。大質(zhì)量的恒星如果爆炸，就會(huì)形成一個(gè)黑洞。
據(jù)我們現(xiàn)在的研究表明，中等質(zhì)量的恒星爆炸之后形成的中子星大概是1.4個(gè)太陽質(zhì)量。今天早晨我剛剛看到了一個(gè)消息，說一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量大概是兩個(gè)多太陽質(zhì)量的中子星，也許我們的理論模型后面又要修正了。
中子星是一個(gè)非常的致密的天體。我們知道原子是由質(zhì)子和電子組成的，如果把原子的質(zhì)子和電子壓在一起，就會(huì)形成中子。很多很多的中子組成一個(gè)中子星。大部分的星體都是由中子組成的，那就會(huì)是一個(gè)非常致密的天體。
大家想象一下，這好比是我們把一個(gè)半的太陽壓縮到一個(gè)北京市的大小，大家想一想這是一個(gè)何等的天體！難以想象。一個(gè)指甲頭大小的地方，也就是1立方厘米，它可以相當(dāng)于一千艘萬噸巨輪。
如果說這個(gè)中子星轉(zhuǎn)起來，一個(gè)十幾公里的星，每秒鐘轉(zhuǎn)上千轉(zhuǎn)，你可以想象，如果說只是一個(gè)木頭球，是一個(gè)鐵球，十幾公里的球每秒鐘轉(zhuǎn)上上千轉(zhuǎn)，它可能早已經(jīng)被它的離心力給瓦解了。這就給我們帶來了一個(gè)極端的物理?xiàng)l件下的實(shí)驗(yàn)室。中子星有強(qiáng)引力，有強(qiáng)磁場(chǎng)。我們宇宙中有四種基本的力——引力、電磁力、強(qiáng)作用力和弱作用力。中子星就給我們提供了這樣一個(gè)天然的實(shí)驗(yàn)室，它提供的環(huán)境在我們地球上是沒有辦法人為模擬出來的。
中子星不單可以為我們的科學(xué)研究提供這樣一個(gè)非常好的條件，還可以給我們的社會(huì)、給我們?nèi)祟悗砗艽蟮膶?shí)用價(jià)值。這里我舉兩個(gè)例子，一個(gè)叫授時(shí)，一個(gè)叫導(dǎo)航。中子星的旋轉(zhuǎn)周期可以從秒到毫秒，它可以每秒鐘轉(zhuǎn)幾圈，也可以每秒鐘轉(zhuǎn)上千圈，但關(guān)鍵是它轉(zhuǎn)得非常穩(wěn)定，幾百年來、幾千年來都不會(huì)變。它的精確程度可以超過原子鐘，因此你可以把它當(dāng)做一個(gè)表。
同時(shí)，它在宇宙之中，在銀河系之中，距離我們有幾十光年、幾百光年、幾千光年或者幾萬光年，可以說離我們非常遙遠(yuǎn)；它又在旋轉(zhuǎn)，脈沖信號(hào)周期性地掃過地球。就像燈塔的光束會(huì)掃過船只一樣，我們把脈沖星比作“宇宙中的燈塔”，它可以指引我們做宇宙航行。
到目前為止，天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2700多個(gè)脈沖星，F(xiàn)AST兩年間就發(fā)現(xiàn)了60多顆。可以說，隨著FAST進(jìn)入到科學(xué)觀測(cè)之后，我們會(huì)有更多的期待。
現(xiàn)在FAST就正在開展19波束多科學(xué)目標(biāo)同時(shí)巡天的項(xiàng)目。
一個(gè)波束，大家可以理解成是一雙眼睛。以往我們的望遠(yuǎn)鏡基本上只有一個(gè)波束，或者說只有一雙眼睛在看，而FAST可以說是19雙眼睛同時(shí)在看，因此它巡天觀測(cè)的效率大大提升了。我們的FAST有望在有限的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)上千顆脈沖星，數(shù)量可以超過我們過去幾十年發(fā)現(xiàn)的成果。
脈沖星的信號(hào)從幾萬光年之外傳到地球上，其間并不是坦途一片，或者說宇宙中并不是真空，而是有很多星際的塵埃，有很多的介質(zhì)。電磁波也是一種粒子，這些粒子在穿越星際塵埃的時(shí)候會(huì)發(fā)生色散。高頻一點(diǎn)的電磁波會(huì)快一點(diǎn)到達(dá)地球，低頻的信號(hào)會(huì)稍稍慢一點(diǎn)，相當(dāng)于把原來同時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)在時(shí)間上來了一個(gè)錯(cuò)位。
但同時(shí)電磁波再到地球的時(shí)候，這些信號(hào)又受到了很多人為的干擾，比如手機(jī)的基站，我們的飛機(jī)、衛(wèi)星，都會(huì)對(duì)這些射電信號(hào)形成干擾。因此，F(xiàn)AST或者射電望遠(yuǎn)鏡最后得到的是一個(gè)被污染了的信號(hào)。
天文學(xué)家要去研究脈沖星，研究它的旋轉(zhuǎn)周期等等這些物理特征，我們就要復(fù)原這些信號(hào)；要還原這些信號(hào)的本來面目，就要把剛才受到的那些干擾去掉。同時(shí)，因?yàn)槲覀儾恢佬盘?hào)在傳過來的過程中到底經(jīng)過了哪些過程，因此它的色散的量我們是不知道的，我們要猜，要揣測(cè)它的值，最終確定脈沖星旋轉(zhuǎn)的周期是多少。
這個(gè)過程不是那么簡(jiǎn)單的。以FAST為例，F(xiàn)AST每月可以產(chǎn)生兩個(gè)PB的數(shù)據(jù)，需要大量的計(jì)算，它每個(gè)月會(huì)產(chǎn)生300萬需要猜測(cè)周期的候選體。以往我們的脈沖星搜尋基本上靠人工，但是現(xiàn)在隨著FAST有了這么強(qiáng)大的觀測(cè)能力，300萬張圖單靠人工是完全不可能了，因此我們就寄希望于現(xiàn)代的信息技術(shù)，包括現(xiàn)在非常時(shí)髦的AI人工智能。
很榮幸，我們得到了現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)的幫助。通過跟阿里云還有很多IT專家團(tuán)隊(duì)的合作，在阿里云這樣一個(gè)云平臺(tái)上，借助于先進(jìn)的計(jì)算技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、AI技術(shù)，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了FAST強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。就是在這樣一個(gè)平臺(tái)上，我們能夠?qū)崟r(shí)處理和發(fā)現(xiàn)這些脈沖星。因此我覺得科學(xué)和技術(shù)的結(jié)合真的是一個(gè)雙贏、多贏的過程。
這是我們國家另外一個(gè)科學(xué)工程項(xiàng)目——郭守敬望遠(yuǎn)鏡。
我們?cè)谔焐线€有“慧眼”、“悟空”這些天文衛(wèi)星。
我們的天文學(xué)家還在南極最高點(diǎn)打造了南極天文臺(tái)。
世界上還有更多的利器。這些望遠(yuǎn)鏡，這些重大的觀測(cè)設(shè)施，每天都在產(chǎn)生海量的天文數(shù)據(jù)。天文數(shù)據(jù)是科學(xué)研究的寶貴財(cái)富，因此要建立一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中心。
天文學(xué)是觀測(cè)的科學(xué)。經(jīng)過了三十年的發(fā)展，我們今年春天得到了國家的正式認(rèn)可。國家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心是我們國家公布的第一批國家級(jí)的科學(xué)數(shù)據(jù)中心。今天上午張建峰總裁的演講中提到了兩個(gè)中臺(tái)，一個(gè)是數(shù)據(jù)中臺(tái)，一個(gè)是業(yè)務(wù)中臺(tái)。
我們可以說國家數(shù)據(jù)中心就像是一個(gè)數(shù)據(jù)中臺(tái)，它把數(shù)據(jù)全都聚集在了一起。我們要進(jìn)一步發(fā)揮這些數(shù)據(jù)的價(jià)值，給天文學(xué)家用，給公眾用，向社會(huì)開放，那我們就需要一個(gè)更好的業(yè)務(wù)中臺(tái)，這就是虛擬天文臺(tái)。
虛擬天文臺(tái)就是要把先進(jìn)的信息技術(shù)應(yīng)用到天文學(xué)里去，打造一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的科學(xué)研究、科普教育的平臺(tái)；把這些數(shù)據(jù)開放出去，以全世界的觀測(cè)數(shù)據(jù)打造成一個(gè)數(shù)字宇宙。
非常巧的是，三年前，2016年的云棲大會(huì)上，國家天文臺(tái)和阿里云正式宣布戰(zhàn)略合作。三年來我們一起努力，為大家打造了一個(gè)能向全世界開放的虛擬天文臺(tái)。
它是一個(gè)旋渦星系，太陽系帶著地球、火星等小兄弟，一起在第二個(gè)旋臂上邊緣的地方游蕩。這就是我們?cè)阢y河系中的位置。
脈沖星是我們宇宙中的燈塔，人類要發(fā)展，文明要持續(xù)。也許以后我們會(huì)流浪，我們流浪到太空，怎么去識(shí)別方向？脈沖星可以為我們導(dǎo)航。但如果我們迷失了方向，怎么辦？脈沖星還可以幫助我們找到回家的路。
感謝大家聆聽，今天我的分享就到這里，謝謝大家。
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