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追踪无形电波,探索宇宙奥秘

茫茫星空发出的不止是可见光。射电望远镜能捕捉到无线电波--不过这跟广播电台发射的无线电波可毫无关系。 Alex Cherney/terrastro.com

这将是迄今为止人类所建规模最大的科学仪器。分布在南非与澳大利亚的成千上万台天线将捕捉到宇宙向我们发射的无形电波,而其中有相当一部分使用的是瑞士科技。

此内容发布于 2020年11月14日 - 09:00

我们所说的是“平方公里阵列射电望远镜”( Square Kilometer Array,简称SKA),这个项目从计划至今已近30载,所谓的“平方公里”是指所有天线肩并肩立在一起的接收面积达到一平方公里。但要得到天空的高清图像,这些天线必须被分开安置,彼此之间保持距离。南非将建设约200个直径各15米的反射面天线,而在世界另一端的澳大利亚,将架起13万个低频天线,后者还能用来接收电视信号。所有天线之间将以电缆连接,其总长足以绕地球两周。      

那么这一切都是为了什么?是为了捕捉无线电波。这是要收听瑞士广播电台、英国广播公司或者日本广播协会的高清广播节目吗?当然不是,而且跟这没有一点儿关系。无线电波也被称为射频,是宇宙无数天体发射的电磁波大家庭的一部分,例如各种系外星团、活动星系核与某些恒星,都会发射出电磁波,而肉眼能看到的光线只占其中极小的部分。我们将这些电磁波称为无线电波,是因为我们也用这种电波来传送广播与电视节目。

光线远不止可见光。图中便是宇宙众星发射的各种光波。电磁波的波长(上图)有长到数千公里,也有短到只有原子的一小段(10的负12次方)。波长越长,光子的能量越低。如图所示,肉眼只能看见电磁波谱中极小的一部分(下图放大的彩图)。 wikipedia.org

人类使用卫星与望远镜观测天空中各种波长的电波已有时日。自20世纪50年代起,射电天文学有了突飞猛进的发展。此后人类建造的射电望远镜规模也越来越大。正如光学望远镜要借助于许多镜面,射电望远镜则需要集中于某处的多台天线,其结果相当于一台覆盖整个台址的巨型天线。

SKA组织是一个国际集团,其成员国包括南非、澳大利亚、中国、印度、英国、葡萄牙等国,人口总和占全球总人口的40%。2020年4月,洛桑联邦理工学院(EPFL,英)也加入了该项目,负责协调瑞士科学界的参与任务。瑞士自2016年已开始担任观察员,不日也将加入该组织,成为正式成员国。

洛桑理工加入SKA项目-瑞士法语区广播电视台RTS新闻节目,2020年4月28日

外部内容

依靠这个不同寻常的天文望远镜,许多领域都会取得长足的进步,其名单之长令人兴叹:从对宇宙产生之初(大爆炸后38万年)到首批恒星与星系形成时期的研究,到对宇宙130多亿年演变的观测,直到对离我们相对较近的系外行星生命的探寻。

"各种天体并不关心我们的眼睛能看到什么。通过电波才能让我们探测到更多用眼睛或红外线观测不到的东西。“

卡特琳娜·塞萨斯基,SKA组织董事长

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假如只能列举三个将凭借SKA“找到圣杯”的领域呢?这还真不容易……不过,一位法国天文物理学家同意接受我们的挑战,尝试作答。这可不是随便哪位天文物理学家,而是卡特琳娜·塞萨斯基(Catherine Cesarsky),她自2017年起便担任SKA组织董事长。此前她曾经任职欧洲南方天文台(ESO,经营着位于智利的几个世界最大的光学望远镜)董事会秘书长和国际天文联合会(IAU)会长。

位于澳大利亚荒漠,由4096座天线构成的默奇森宽场阵列(MWA,亦称为“默奇森天文望远镜”)是SKA的先导设施之一。 SKA Organisation, William Garnier

诸多希望之中的三大希望

首先是引力波,这种时空涟漪在亿万光年中持续传播。它们是由两个黑洞合并时生成。1916年爱因斯坦曾在理论上预言了引力波的存在,但直到99年之后,通过位于美国两处台址、拥有长达4公里激光探测器的激光干涉引力波天文台(LIGO)进行的实验,才直接探测到引力波。做出这一重大发现的三位天文学家因此荣获诺贝尔奖。

然而产生这一现象的黑洞的质量“仅”为太阳质量的几十倍而已。“我们知道在星系中央存在超大质量黑洞。借助欧洲激光干涉空间天线(LISA)的三个探测器(计划于2030年前后发射),天文学家将能探测到百万倍太阳质量星体的碰撞。而SKA还将走得更远,探测到亿万倍太阳质量星体的碰撞,”塞萨斯基激动地说道。

这位天文物理学家期待着出现惊人结果的第二个领域是宇宙磁场研究。SKA超乎寻常的灵敏度应能使得这方面取得“非同寻常的进步”。磁场充满了整个宇宙,它控制着大大小小星体的形成与演化,从小的不起眼的行星到大尺度纤维状结构,当然还少不了各种恒星。借助这方面的研究,我们将能更好地了解促成宇宙不同结构形成的事件顺序。

第三个领域则是氢元素。这是宇宙中最重要也最简单的原子(仅含一个质子和一个电子),它还是大爆炸后基本粒子形成的第一种原子。即使在今天,氢依然大量存在于宇宙之中。“我们将能对宇宙开端时氢的分布进行测绘,”塞萨斯基讲述到,“氢的波长为21厘米,在射电天文学中我们可以很容易地观察到它。而SKA是唯一能够对整个宇宙历史进行氢元素测绘的望远镜。”

在下面这则SKA介绍视频(英)里,多位科学家讲述了他们对这座未来巨型射电望远镜的期待

外部内容

追寻暗物质

这还不是全部:氢元素当能为我们揭示神秘暗物质的属性。洛桑理工天文物理学实验室总监让-保罗·克内布(Jean-Paul Kneib)解释说:“在我们观察宇宙的扩张时,我们注意到,扩张的加速度比万有引力定律所预测的要快。我们用两种成分的存在来解释这种加速度:暗物质与暗能量。”

解释星系或星系团的旋转速度就必须提到暗物质,它占到宇宙总能量的25%以上。“这种物质可能由粒子组成。大家都在研究暗物质,因为物理学标准模型里还没有它。”

由于暗物质不会发射任何光波,因而很难探测到它。在欧洲核子研究中心(CERN)的物理学家尝试用他们的大型强子对撞机(LHC)制造暗物质的同时,天文物理学家则在宇宙中追寻它的踪迹。这正是科学家希望凭借SKA去完成的任务。“我们将在星系之间比较空旷的区域内寻找‘小结构’,比已知最小星系还小的结构。我们会利用那里的氢元素,当作暗物质的追踪器,”克内布继续说道。

“这些测量值将能帮助我们做出决定,是否要继LHC之后建造一台新的巨型加速装置。”这个“细节”有其不可忽视的重要性,要知道这类超大规模设备的造价也是非常之大:欧洲核子研究中心的LHC造价为100亿瑞郎,而将于2028年投入使用的SKA则高达150亿瑞郎。

位于南非的MeerKAT射电天文望远镜是SKA的前身。与光学望远镜不同,射电望远镜不受天气情况影响。除了维修期外,这种望远镜可以全天候工作。 SKA Organisation

“外星人的直线电话”

那么,我们能不能通过SKA来收听电波,只不过是来自遥远星球、彻头彻尾“异国”语言的电波呢?在这部望远镜的科学目标当中,还真有搜索“外星电波信号”。借助它超越现有类似设备的巨大能力,这部巨型射电望远镜也许能在“搜寻地外文明计划”(SETI)60年前的失败之处取得成功。

"来自外星人的电波?我不排除它存在的可能性……如今我们还什么都没找到,这可能是因为没找对地方。”

洛桑理工天文物理学实验室总监让-保罗·克内布

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克内布认为这个想法并非荒诞不经:“一开始也许我们不会这么做,但有一天会的。我当然不排除存在远方信号的可能性,但就算有,我们也不会完全领会。SETI计划开始得太早,那时人们还不了解系外行星。首先要知道在哪里找。如今我们还什么都没找到,这可能是因为没找对地方。”

塞萨斯基对此则更有保留:“从实际角度来看,我们不必为这项任务专门给望远镜留出时间。我们可以利用为其他目的收集的数据,在此基础上进行分析。既然这样,为什么不可以寻找外星电波信号?不过就我而言,我造SKA可绝不仅仅是为了寻找外星人。”

这则由柏克莱加州大学SETI研究中心制作的视频(英),展示了借助SKA捕获外星讯号的希望

外部内容

瑞士的贡献

SKA总监菲尔·戴蒙(Phil Diamond)在欢迎洛桑联邦理工学院加盟组织时表示:“瑞士各高校在这部望远镜的设计阶段起到了重要作用。在科学与天文学方面它们有着极其优秀的声誉,曾参与过数个极富雄心的项目。”目前参加项目的瑞士学术机构还只包括日内瓦大学、苏黎世大学、伯尔尼大学、瑞士国家超级计算中心(CSCS)、西北高等专业学院、西南高等专业学院,以及卢塞恩交通博物馆的天文馆。

为了保证这部望远镜的所有天线能够完美同步,目前已经确定由纳沙泰尔的一家企业提供项目所需的原子钟。瑞士人还将处理SKA收集的天文数字级天文资料(每秒1太字节,比全球互联网交换的数据量还要大),特别是使用人工智能软件,来迅速排除无用数据。

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