1889年的一个夏夜,徘徊在幻觉与清醒之间的梵高 (Van Gogh) 创作出了《星月夜》(Starry Night),用画笔表达着现实与思想复杂的交织与碰撞。浓重的颜料凝固在静态的画布上,却丝毫不妨碍人们在长久的凝视中陷入对宇宙无穷无尽的想象。一百多年前的梵高或许已经想到,看似永恒不变的宇宙正上演着一场又一场激越的星际乐章。
一百多年后的今天,同样有这样一群人试图描绘这个聒噪的动态宇宙,只是手中的画笔不再是蘸着各色颜料的毛刷,而是逼近人类科技探测极限的精密仪器。
在过去的半个多世纪里,天文学家利用最先进的观测设备极大地推进了天文学的发展,积累了多波段、多信使、多目标的观测资料,人类逐渐开始了解恒星和宇宙的形成与演化。日新月异的观测进展不断刷新着人们对宇宙的理解与认识。
1929年,哈勃-勒梅特定律的发现第一次让人们意识到宇宙正处在不断膨胀中,时间和空间在人类的宇宙观中开始流动。很快,物理学家运用全新的理论工具和观测资料在演算纸上描绘出了恒星的一生。然而,停滞不前的观测技术让人们只能透过夜空中闪烁的光点想象背后复杂、爆裂的生命历程。先进的理论预言亟待更灵敏的观测设备验证。直到第二次世界大战结束,人们意识到在战争中大放异彩的雷达技术具备开辟全新观测窗口的巨大潜力。
一系列重大发现就此展开:人类第一次探测到来自宇宙的原子气体辐射,见证了原子物理在宇宙中的完美演绎,开创了星际介质天文学的时代;第一次探测到来自银河系外的类星体、第一次探测到宇宙微波背景辐射,为宇宙学研究提供了关键观测证据。1967年底,彼时还是研究生的 Jocelyn Bell 在卡文迪许实验室研究类星体的星际闪烁,却意外发现了一串周期稳定在1.337秒的射电脉冲。
经过复杂的验证后,Bell 和她的导师 Antony Hewish 终于确认:这个精确的周期脉冲来源于预言已久的致密天体。脉冲星由此得名。脉冲星的发现再次刷新了人类对宇宙的理解:从太阳东升西落的十二时辰到下一秒钟,黑暗深邃的宇宙每时每刻都孕育着极端的物理过程。脉冲星作为散布在宇宙中的明亮灯塔,已经成为观测天文学的又一里程碑。
而时间作为天文学家度量宇宙的重要工具,正以秒为单位刷新着天文学家的知识储备。随着天文大数据时代的到来,人们已不满足于传统观测模式记录的图像、光谱等静态信息,而是越来越渴望收集宇宙中一切所能收集到的信号。无论用肉眼观星,还是用大口径望远镜开展观测,本质都是收集并放大特定方向的电磁波,实现对微弱星光的聚焦。然而,通过聚焦收集电磁信号的方式不可避免地损失了绝大部分信息,同时也大大限制了可观测的视场。
于是,新一代宇宙录像机“宇宙触角”应运而生。茫茫宇宙中,来自各个方向遥远天体的未知信号深埋在电磁场的海洋中。
以快速射电暴为例,2018年投入运行的加拿大氢强度测绘实验 (The Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, CHIME) 凭借约200平方度的视场将快速射电暴源的数目从此前的几十例提高到数百例,FAST 在2021年将重复快速射电暴的爆发数目突破到四位数。
而宇宙触角将打开前所未有的时间采样、天区覆盖的组合参数空间,助力发现上万个快速射电暴源,实现跨量级的关键科学突破。面向未来,时域天文学的下一份惊喜需要大视场、高效率的实时录像机,细致挖掘隐藏在电磁场中的天外来信。