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中国的这口“大锅”，会决定美国射电天文学的未来吗？

晰数塔互联网快讯
2021-04-22 19:34

本文来自微信公众号：科研圈（ID：keyanquan），来源：Undark，编译：武大可、魏潇，题图来自：unsplash

对于美国康奈尔大学的天文学家 James Cordes 以及他的众多同行来说，位于波多黎各的阿雷西博望远镜（Arecibo）在去年突然垮塌彻底搅乱了他们的研究计划。Cordes 研究脉冲星，这是巨型恒星爆发后的遗留物，能够周期性发出射电脉冲信号。射电天文学家可以利用阿雷西博这样的射电望远镜捕捉到它的无线电波，据此研究恒星演化或者发现遥远星系。

显而易见，阿雷西博的突然“下线”打了 Cordes 和同行们一个措手不及。2020 年，两根断裂的支持钢缆让这台世界第二大射电望远镜陷入沉默。随后，悬挂在望远镜主反射面上方的仪器平台彻底坠毁，阿雷西博望远镜 57 年的观测历史就此画上句号。美国的射电天文学家们失去了一台珍贵的观测设备，甚至连同等灵敏度的替代者都很难找到了。

幸运的是，中国“天眼” FAST 来了。这台位于中国贵州山区的 500 米口径球面射电望远镜 2016 年建造完毕，是目前世界上最大的单口径射电望远镜，灵敏度是阿雷西博的 2.5 倍以上。2021 年 3 月31 日起，FAST 向全球科学家开放观测项目申请。据悉，7 月下旬确定观测项目后，FAST 会从 8 月起执行观测。一位参与 FAST 观测项目申请评估的中国射电天文学家在接受 Undark 采访时表示，他们希望 FAST 向世界开放不仅能够帮助天文学家做出更好的科学发现，还希望借此机会为射电天文学领域打开一扇新的窗口，催生更多突破。

中国天眼，或许正在成为大洋彼岸天文学界的新希望。

中国“天眼” FAST 图片来源：Steven Sun

Cordes 和同事希望利用 FAST 完成北美纳赫兹引力波天文台（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrave）项目里的一些工作。团队需要观察脉冲星以精确间隔发出的脉冲，监测它们是否比预期更早或更晚地到达地球。由此形成的复杂时间表能够证明引力波的涟漪对宇宙结构的拉伸和挤压。要完成这一工作，天文学家们必须每两周对一个脉冲星网络做一次监测，他们在这之前使用的是阿雷西博望远镜和美国第二大观测设施——西弗吉尼亚州的绿岸天文台（Green Bank Telescope）。在阿雷西博垮塌后，团队不得不另寻出路。

NANOGrav 的资深学者、美国西弗吉尼亚大学（West Virginia University, WVU）的物理和天文学教授 Maura McLaughlin 也打算申请让 FAST 观测“旋转无线电瞬态”（rotating radio transients , RRATs）——一种脉冲星在偶然状态下才会出现的短暂状态。她的研究团队曾使用阿雷西博望远镜发现了一些难以观测到的 RRATs。如今阿雷西博已经无法继续使用，FAST “真的是唯一可用的望远镜了”，McLaughlin 说。

从恒星间复杂的化学研究，到起因仍然是谜团的射电暴，不论哪一种（观测）提案都是 FAST 团队希望看到的。WVU 的另一位物理和天文学教授 Loren Anderson，对利用 FAST 揭示大型恒星对周围空间的影响，以及如何抑制新恒星的形成很感兴趣，这一研究能帮助科学家理解星系的演化。“在 FAST 起步的时候，阿雷西博状态还好，”他说，“可它现在已经‘死’了。我觉得这让 FAST 更具吸引力了。它现在是举世无双的观测设施了。”

FAST 也是研究宇宙基本组成——中性氢的关键。搭载其上的设备之一已被证明会在这一研究中发挥作用。由澳大利亚工程师设计制造的接收器使得 FAST 能够同时对天空中 19 个独立的点进行观测。

中国与澳大利亚的射电天文学家常在类似的项目中密切合作，部分原因是他们已通过另一个望远镜项目建立了联系——平方公里阵列射电望远镜（Square Kilometer Array，美国 2011 年退出了这一项目）。通过天文学家们的奋斗，这一阵列包括了遍布南非和澳大利亚的数千个“圆盘”和百万条天线，它们共同组成了一个巨大的望远镜阵列。

平方公里阵列射电望远镜的艺术想象图。图片来源：SPDO/TDP/DRAO/Swinburne Astronomy Productions

但中美两国科学家的合作可能会面临一些麻烦与困难。例如，在美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）近期的调查中，数十人因为没有透露自己来自他国的资金或所参与的他国人才计划而被开除或辞退。

2011 年的“沃尔夫修正案（Wolf Amendment）”不允许 NASA、美国科学技术政策办公室和美国国家空间委员会的科学家在未上报的情况下与中方开展合作。美国战略与国际研究中心（Center for Strategic and International Studies）的 Makena Young 说，“有些人害怕我们把技术机密泄露给我们的竞争者。”

尽管有这一纸禁令，但当中国在 2019 年将第一台月球探测器嫦娥四号送到月球背面时，NASA 的一台月球轨道探测器还是为它拍摄了照片。对于太空项目，Young 说，“这确实是近十年双方合作的最好代表了。”

Young 认为，沃尔夫修正案有碍科学创新，限制了观点的多样性，并在一定程度上导致了更激烈的竞争。

不过美国射电天文学家仍然可以找到与中国合作的机会。例如，绿岸天文台的科学家就参与了建设 FAST 的咨询工作。McLaughlin 获得了美国国家科学基金会的资助，每年夏天将自己的学生从 WVU 送往中国。她曾为在拨款申请中包括了这一交换项目而忧虑，担心这会使她被限制或遭受更多审查，但这没有发生。“我们并没有遇到这方面的问题。”她说。

McLaughlin 说，中国参与的国际脉冲星计时阵列（International Pulsar Timing Array）是一项全球性的合作，汇集了许多类似于 NANOGrav 的小规模项目，但这一合作并未影响 NANOGrav 获取美国经费。她从个人角度和科学角度都对此很感激。“大多中国同事与我们的合作十分紧密，彼此十分了解，”她说，“彼此有很深的信任。”

由于与中国的科学设施建立联系对于许多类型的研究十分重要，这样的信任可能是研究的关键。McLaughlin 说，若非依靠这样的大型望远镜，她和团队的想要进行的观测多半是无法进行的。

在过去几十年里，中国一直在加强国际科学参与度。以天文学领域为例，近年来，“慧眼”和“极目”两颗卫星相继进入太空，对全天区的伽马射线暴——宇宙中最耀眼的事件进行观测。四川锦屏地下实验室也投入使用，上方的地表屏障使其能够不受干扰地获取最原始的数据，将为暗物质探测和粒子物理学研究提供有力支撑。此外，中国还计划在新疆奇台建造一座比美国绿岸射电望远镜还要大的 110 米口径全可动射电望远镜。这台射电望远镜的“碟子”装有一系列制动器，可以受控旋转，观测范围能覆盖 75% 的天区。

在这一系列行动的最前沿，是与国际天文学界分享嫦娥五号月球着陆器所收集的样本。该探测器于 2020 年 12 月回到地球，带回了 1731 克月球土壤。通过研究这些珍贵的样本，科学家们能够探索月球的起源和演变（美国的政策可能会阻止一些共享计划）。

这样的基础设施与合作方式对科学本身的发展是有利的。与此同时，它也在增强中国的软实力。FAST 团队的一位中国学者对 Undark 表示，FAST 开放主要是被研究驱动的，并且这一时间安排是由 FAST 于 2020 年初所通过的技术检查和科学验证所决定的。“望远镜是为天文学、为科学而建造的。对从事观测研究的天文学家，全球各地的任何望远镜只要能够满足他们的科学需要，他们就希望去使用。”他说，“我们很乐于看到这种开放能够在文化交流中扮演积极角色，并展示出国际合作的重要性。”

不过，Cordes 和他的同事们可能需要“排一会队”才能用上中国天眼。FAST 运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏在接受央广网采访时表示，FAST 面向全球科学界开放的第一年分配给国外科学家的观测时间约占 10%（大约 450 个小时），而海外观测需求更大，竞争程度将更加激烈。“海外总体天文学家的数量也可能比国内要多得多，所以我想他们的竞争可能会比较激烈，只是初步预期是这样，还要看最后申请的结果。只要能得到申请，在使用上大家都一视同仁。”

本文来自微信公众号：科研圈（ID：keyanquan），来源：Undark，编译：武大可、魏潇