中国天眼发现了银河边缘的脉冲星,对世界意味着什么
中国天眼又一次登上了热搜,缘由是因为它发现了银河边缘的脉冲星,这对于中国对于世界意味着什么呢?
宇宙的灯塔——脉冲星
“你我相逢在黑夜的海上,
你有你的,我有我的方向;
你记得也好,
最好你忘掉
在这交会时互放的光亮!”
这是诗人徐志摩的《偶然》,不过这也只能是诗人的浪漫,要是照他的方法去航海,可就难免船毁人亡了,要想纵横四海,单单是靠交会时互放的这点光亮是远远不够的,我们还需要灯塔。
在还没有完备的导航设施之前,灯塔是人们航海的路标,可以说就是“黑夜的海上”的保护神,可是当我们迈向星辰大海时,灯塔在哪里呢?
这个灯塔还是有的,不过并不是人们自己建造的,而是宇宙赐予我们的,这个宇宙的灯塔就是脉冲星。
脉冲星是中子星的一种,其实就是快速旋转的中子星,快速旋转的中子星会发出强烈的电磁脉冲,在宇宙航行中就可以作为灯塔了。
2.脉冲星的由来
对于磁场我们都很了解,我们的家园地球就有地磁场,我们的指南针就是依靠地球的磁场指引方向的,还有候鸟也是靠地球的磁场来规划回家的路线的,既然地球都有磁场,那么是不是每个星星都有磁场呀,是的,不管恒星还是行星都有自己的磁场,既然有磁场那么随着星球的自转就会产生电磁波,就是说每个星星都会发出电磁波,可是为什么只有快速旋转的中子星才叫脉冲星呢?
因为几乎所有星星发出的电磁波都太弱了,都弥散在茫茫太空中了,这就好像是我们晚上看到的漫天星星一样,它们大部分都要比太阳还要亮,可是离得我们太远了,就变成了微弱的星光。
星星发出的电磁波足够强烈,则必须要足够小而质量足够大,这就只能是中子星了,为什么中子星就体积足够小质量足够大呢,这还要从原子说起了。
我们都知道原子是由原子核和核外电子组成的,而原子核是由质子和中子构成,相当于原子核原子非常大,两者相差5个数量级,打个比方吧,要是原子有水立方那么大,那么原子核就只有一只蚂蚁那么大,而这只蚂蚁则集中了原子的几乎所有质量,要是一个星球完全由中子构成的话,那么这个星球的质量就大的不可想象,而中子星又不可能太大,太大的话就变成黑洞了,而黑洞连光都无法逃逸,自然就不能发出电磁波了,所以中子星只要快速旋转就能发出强烈的脉冲电磁波。
中子星的概念是由著名的朗道提出的,他在查德威克发现中子后不久就提出了中子星的设想,不过这只是个设想啊,真正从理论上论证中子星存在的还是奥本海默,对的,就是“原子弹之父”奥本海默,原子弹只是奥本海默一生中一个贡献,他最大的贡献还是在天体物理学上。
奥本海默计算出当一个恒星的质量大约为0.75个太阳质量时,这个恒星最后就会变成中子星,注意了啊,奥本海默是说出了恒星最终变成中子星是有质量条件的,不过他的计算结果是错误的,现在一般认为是1.5—2个太阳大小的恒星最终会变成中子星,这被称为奥本海默极限,要是恒星质量大于奥本海默极限呢,那最终就会变成黑洞,顺便说一句,奥本海默也是黑洞研究的先驱,现在大名鼎鼎的霍金算是他的晚辈。
现在只是在理论上证明了中子星的存在,对于物理学家来说这远远不够,必须要亲自观测到中子星的存在那才算数,这个问题在1967年被女学生贝尔解决了。
3.小绿人的呼唤
1967,英国剑桥大学卡文迪许实验室一年级研究生乔瑟琳.贝尔通过“红岸一号”,不,是行星际闪烁阵列射电望远镜,观测到一个奇怪的信号,这个信号有严格的周期性,每隔1.33秒出现一次,每天出现的时间都大约提前4分钟,无论怎么看这都是一个地外文明发出的沟通信号,难道是某个还没有顿悟“黑暗森林”的文明发出的作死信号,又或者是某个“猎人”文明发出的诱捕信号,如果刘慈欣在场,一定会高呼“不要回答”,不过贝尔没有刘慈欣的想象力,他们还给这个信号取了一个萌萌哒的昵称——“”小绿人一号”,看来他们真的以为这是地外文明的呼唤了。
不过贝尔并没有回答,一则是没有能力回答,二则贝尔很快就发现这不是小绿人的信号,而是脉冲星。
脉冲星的发现被认为是上世纪六十年代天文学的四大发现之一,并且获得了1974年的诺贝尔奖,不过很遗憾的是真正的发现者贝尔女士并没有站在领奖台上,不过贝尔女士的贡献是不会被人们忘记的。
霍金在《时间简史》中明确指出脉冲星的发现者就是贝尔女士,在电影《超时空接触》中,女主破译了来自外星人的信号,可是在确定和外星智慧接触的人选时她却没有入选,这一情节也被认为是在影射贝尔女士没有获得诺贝尔奖。
还是来看一看刘慈欣对脉冲星的想象吧。
“但死星1999A距我们只有8光年,当它的残骸在它爆发后的51小时开始辐射电脉冲时,太阳系所接收到的能量是巨大的,而地球,就淹没在这能量的海洋中。这种能量是以电磁脉冲形式出现的,脉冲的每秒钟出现54次,所以,地球表层空间里充满了频率为54赫兹的强大的交变磁场,世界电力网的所有线路均处于这个交变磁场中,所以感应出了强大的交流电。电流感应主要发生在较长的高压输电线上,经各级变电系统变换后输送到世界的每一个角落。有很多变电系统烧毁了,但大部分都适应了超新星送来的电流,重新驱动了这个世界。强大的电流向所有的发电厂反送,把这些人类在过去百年间建成并赖以生存的能源设施大部分烧毁了。但这实在算不上什么损失,以后的世界再也用不着发电机了,只要架设一条足够长的线路,就可直接从空间取得电能。死星杀死了地球上三分之二的人,却给以后的人类带来了无尽的能源。
但这充满空间的强大交变磁场也带来了很大的问题,虽然这些问题与它带给人类的利益相比微不足道,也足以让孩子们头疼很多年。比如铁路,同高压输电线一样是很长的感应体,在1999A的电磁脉冲到来之时,铁轨立刻变成两条携带着强电流的导线,铁轨接头处迸出的电火花使漫长的铁路线变成一条望不到头的火龙,在各个车站中,通入强电流的内燃机车相继起火爆炸……”
这是大刘在《超新星纪元》第二版中对脉冲星的描述,但脉冲星是什么样的,现在我们还是只能靠分析电磁波谱,这就要用到我们的“中国天眼”了。
4.中国天眼
2016年,美国天文学界感到了来自东方的神秘力量,由于经费不足,世界上最大的射电望远镜阿雷西博望远镜可能关闭,而在神秘东方,9月25日,被称为“天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)在中国贵州平塘县大窝凼落成启用。
从此后,宇宙观测的接力棒将交到中国手中。
FAST可以称得上是一个完美的项目。
首先选址好,贵州俗称“地无三尺平”,喀斯特地形闻名世界,遍地是坑,而大窝凼的地貌最接近FAST的造型,想想在平地上挖那么大一坑需要多大工程量吧,当然大窝凼不是完全吻合FAST,但只是修修补补得省多少钱啊,虽然现在咱不缺钱,可也不能胡花。
作为天下第一锅,最怕的就是下雨,要是下雨灌满了FAST这口大锅,大约有三十个足球场那么大,那得需要多少羊肉啊,而喀斯特地形就是一天然漏斗,天上下雨地下漏,再加上人工设置的排水系统,雨水根本就不是问题。
贵州人口稀少,FAST方圆十里之内没有人烟,这是天然的无线电静默,要是建在繁华地区,那周围居民基本就告别现代生活了。
当然,喀斯特地形也有风化严重,山体滑坡的严重倾向,但这点问题对于“基建狂魔”中国来说也太容易解决了。
其次,设计思路先进,之前第一,现在第二的阿雷西博望远镜的球面是固定的,射进来的电磁波,只能在球面的聚焦处才能由馈源接收,而电磁波又很任性,想怎么来就怎么来,没奈何,阿雷西博望远镜只好升级为穹屋状的馈源,通过复杂的光路,将焦线间接聚为焦点接收。而FAST则没有这个担忧,因为FAST是可以动的,在FAST的球面下,有一套精巧的促动器系统,可以拉动支撑索网,调整反射面板,让500米直径的球面各处,都可以局部变形为300米直径的抛面,这样,FAST就变成了一个眼观六路耳听八方的武林高手,“任尔东西南北风”。
还有就是灵敏度高,比阿雷西博望远镜综合能力高十倍,打个比方,就是在月球上打个电话,FAST也能监测到。
另外,FAST的旅游开发也是一流的,2017年上半年,贵州平塘县的旅游观光收入就达46亿,而FAST的建造成本也才不到7亿,这简直就是一口聚宝盆啊。
至于其应用价值与重要意义,就不再多说,只说一点,因射电望远镜发现的宇宙微波背景、脉冲星都分别已经获得了两次诺贝尔物理奖,FAST来了,诺奖还会远吗?
如果鸡蛋里挑骨头,非要说FAST还有什么未臻于完美,那就是FAST首席科学家南仁东先生的离世。
为南先生不平的人们都喜欢引用“将军枯骨无人问,戏子家事天下知”这句话,其实这已经无形中拉高了那些戏子的地位,那些人是不能和南先生这样伟人相提并论的,更何况南先生又何时求过世俗的名声,FAST就是他最好的墓碑。
“我们从古以来,就有埋头苦干的人,有拼命硬干的人,有为民请命的人,有舍身求法的人,……虽是等于为帝王将相作家谱的所谓“正史”,也往往掩不住他们的光耀,这就是中国的脊梁”,鲁迅先生的这段话就是南仁东先生最好的悼词。
我们已经错过了千帆相竟的大航海时代,在百舸争流的大航空时代,借助南先生的FAST,我们一定会冲在最前头,毕竟,我们的征途是星辰大海。
5.AI的作用
“中国天眼”FAST投用使用后,曾有过一个这样的新闻,当时招聘研究人员,开出年薪十万的“高薪”,这确实有点讽刺,虽然我们一直强调科学家的奉献精神,但是也不能让科学家流汗再流泪吧,何况天眼地处偏僻,这基本上研究人员与世隔绝了,但是就算研究人员不计较个人得失,就如同南仁东先生一样,那么也是力有未逮。
中国天眼每小时产生500G的数据,这样一周会产生3000万张图表,脉冲星的信号就隐藏在这3000万张图表之中。
要是一秒看一张的话,也得8333小时,而一周只有168小时,这就需要大约50天,注意这已经不是996了,而是不眠不休,就这样还是看不过来,当然了可以增加人手,不过话说回来,也不可能一秒看一张呀,总而言之,要是单凭人工看的话肯定是看不过来了。
这就要用到AI了。
AI在寻找脉冲星中的应用有两种。
一种就是传统的方法,由科学家先把脉冲星的特征数据提取好,然后把这些特征数据告诉AI,让AI用数据进行深度学习建立自己的模型,接下来就可以用这种模型去分析大数据了,当初阿尔法狗就是这么下围棋的。
还有一种方法就是“懒方法”,就是把特征图直接扔给AI,让他们自己去找,这有点象我们现在使用的人脸识别。
这次采用的就是后一种“懒方法”,用这种方法天眼一周产生的数据,AI三天就可以分析清楚,研究人员轻松了许多。
现在,中国天眼已经发现了已发现350多颗脉冲星,其中还包括大批极难被发现的银河系边缘数万光年外的暗弱脉冲星,这其中AI可谓功不可没。