我们确定了这次快速射电暴来自于这颗中子星,因此,快速射电暴就不可能是外星人的信号了。
大家好,我是张双南,工作于中国科学院高能物理研究所。今天我演讲的题目是:慧眼如炬,我们为何仰望星空。“慧眼”是我所工作的团队研制的空间天文卫星,我们可以用它来探索宇宙。今天,我来和大家分享“慧眼”探索之路上的一些故事。
首先,我们来看看万有引力和引力波的关系。地球为什么会绕着太阳转呢?根据牛顿万有引力定律,是因为地球和太阳之间拉着一根名为万有引力的“绳子”。但如果是这样,我在台上一挥手,台下的听众和我的手之间的距离就会发生变化,听众感受到的我的手的引力也会立刻发生变化。既然如此,那我在挥手时,我的手和宇宙当中所有天体之间的距离也都会发生改变,宇宙中所有天体都应该会立刻和我说:张老师好!是这样吗?
爱因斯坦老师觉得这个很不合理。爱老师说:张老师再厉害,也不会比我厉害。我老爱挥一下手,宇宙中的天体都不会立刻回应。为什么会有这样的矛盾存在呢?爱因斯坦思考了这个问题,而后他认为,地球和太阳之间的那根绳子是不存在的,并不真的存在着那样的一个引力。爱因斯坦认为,由于太阳的质量很大,导致它周围的空间都被扭曲了,地球在这个扭曲的空间里运动时就会不由自主地拐弯,所以地球和其他的行星才会绕着太阳转圈。
引力波是弯曲时空中的涟漪,和声音的传播很类似:只能“听”!那么,如果有两个天体周围的空间都扭曲了,当它们绕圈时,这个扭曲的空间就会向外传递,这就是引力波。1915年,爱因斯坦提出了广义相对论理论;1916年,他就预言了引力波的存在。但同时他也断定:尽管引力波存在,人类却永远不可能探测到引力波。
为什么呢?因为扭曲空间的引力波从遥远的地方传递到地球时,这个空间的涟漪就已经变得非常小了。
爱因斯坦先生想象不了人类能够用技术探测到这样小的空间的涟漪。然而,科学家最喜欢做的一件事,就是挑战权威。科学家们挑战爱因斯坦的方法非常的独特:用爱因斯坦的矛,攻击爱因斯坦的盾。爱因斯坦的矛,就是他提出来的激光理论。科学家团队花了几十年的时间,也花了美国国家科学基金会历史上最多的一笔钱,建造了激光干涉引力波天文台。
他们在沙漠里放了两个真空管道。这两根管道是垂直的,长度为4公里。
引力波到达这个地方时,根据广义相对论理论,空间的扭曲就体现为真空管道长度的变化。激光在真空管道里来回反射几百次后,就有可能测量到管道长度的变化,也就可能测量到引力波。道理不难,那为什么花了几十年的时间和那么多的金钱,再加上一整个科学家团队,才能最终做到呢?因为这需要的精度是非常高的,这也是爱因斯坦当年认为人类不可能探测到引力波的原因。空间振荡的变化尺度实在是太小了,小到了什么程度呢?
10的负18次方米。
2016年2月11日,LIGO项目团队发布了震惊世界的科学新闻,2015年,他们在探测器里测量到了这样的信号。经过几个月的数据分析,在2016年2月11日,爱因斯坦100年前预言的引力波终于被人类“听”到了。引力波的传播速度和光一样,所以雷鸣和电闪是同时到达地球的。
2017年,LIGO项目团队获得了诺贝尔物理学奖。截至2017年8月14日,这样两个黑洞相撞、并合所产生的引力波的优美声音,激光干涉引力波天文台已经“听”到了五次,但我们天文学家并没有“看”到引力波源的倩影。引力波传递的方向就被确定了。各种各样的天文台,包括“慧眼”天文卫星,都会朝那个方向探测,希望能够看看到底发生了什么。然而,我们都没有看到。
2017年10月16日,这种情况终于改变了。那天出现了一个全球大新闻:我们终于“看”到了。我们的“慧眼”卫星也同时发布了这项科学新闻!人类不但听到了天体结合发出的引力波的美妙歌声,也看到了它们“相爱”所迸发出的美丽烟花。那一天,全球的天文学家共同宣布,人类第一次“听”到和“看”到了宇宙深处的剧烈爆发现象:两个中子星相互绕转、撞在一起,它们的结合最终迸发出了电闪雷鸣。
“慧眼”卫星的全名叫做硬X射线调制望远镜HXMT,我来简要地介绍一下它的历史。为了用X射线探索宇宙,在上世纪七八十年代,中科院高能物理研究所的科学家们进行了高空科学气球的研究。那时,虽然中国已经能够发射卫星了,但还没有能力研制空间天文望远镜。我们只能发展高空科学气球,在气球上搭载天文望远镜来进行观测。
1984至1986年,我在中科院高能物理研究所读研,李惕碚院士是我当时的导师,而这个建议就是他和他的合作者一起提出的。2011年,国家终于正式立项,开始了HXMT的研制。2017年6月15日,“慧眼”卫星在我国酒泉卫星发射中心成功发射。直到今天,它已经运行了超过4年的时间,取得了诸多科学成果。
“慧眼”卫星是X射线天文卫星,那么X射线是什么呢?X射线是电磁波的一部分。其实,它就是光或者说电磁波的一部分。平时的可见光是波长较长的电磁波;而无线电波是波长更长的电磁波;X射线则是波长较短的电磁波。X射线的穿透能力比较强,中子星和黑洞都会产生大量的X射线,所以我们需要用X射线望远镜进行观测。
“慧眼”卫星参与了这次历史性的事件,我们的成果也被写入了这篇非常奇特的论文里面。
我们平时见到的论文,题目下面是作者,再下面是单位。但这篇论文的题目下面,既没有作者的名字,也没有单位的名字——取而代之的是七十多个合作团队的名字。“慧眼”卫星的英文是Insight-HXMT(Hard X-ray Modulation Telescope),是这七十多个合作团队中的一员,而且“慧眼”的名字还是排得比较靠前的。
“慧眼”卫星发射之后,我们也很快取得了很多其他的科学成果。今年四月,习总书记在两院大会上总结我国近年来的科技创新成就时,谈到了一个基础研究的成果:“慧眼”号直接测量到了宇宙最强磁场。
另外还有个有趣的成果:“慧眼”卫星发现了离黑洞最近的相对论喷流。科学家发现,脉冲星,也就是磁场很强的一种中子星,它们可以转动得非常快且非常稳。在宇宙中,如果能够精确地测量脉冲信号到达我们的时间以及其他信号的变化,那么就能计算出我们相对中子星的位置与我们的运动的速度。
“慧眼”卫星的另一个重大成果,是观测到了疑似外星人的快速射电暴老家。我们如果在网上搜索“快速射电暴”,会有约350万的结果。快速射电暴好像与外星人和地外文明有一定的关系。2020年,我们对这类现象终于有了一个确定的回答:快速射电暴来自于一个已知的天体——磁场很强的中子星,即磁星。加州理工学院也参与了快速射电暴的观测,在他们的新闻发布中就有明确地提到:中国的“慧眼”卫星为这项成果做出了重要的贡献。
所以,我们确定了这次快速射电暴来自于这颗中子星。因此,快速射电暴就不可能是外星人的信号了。有些脑洞大的朋友就和我争论:为什么外星人不会住在中子星上呢?首先,中子星的密度非常大,所以它表面的引力就非常强。强到什么程度呢?中子星表面的温度还很高,有上千万度甚至更高。在如此高温的状态下,原子是无法独善其身的,它里面的电子会跑掉,只剩下原子核和一些游离的电子,学名叫等离子体。
最近,上海交通大学和《科学》杂志联合发布了125个科学问题。我按照发布的学科和领域把它们进行了分类,而后我欣喜若狂,因为其中天文学的问题是最多的。天文学在今天仍然是生机勃勃的学科,存在着诸多重大问题亟待解决。而且,天文学的研究成果在2017、2019和2020年都获得了诺贝尔物理学奖,这表明天文学的研究成果变得越来越重要了。