FAST首席科學(xué)家李菂團(tuán)隊：透過“天眼”望向宇宙更深處

透過“天眼”望向宇宙更深處——記中國科學(xué)院國家天文臺FAST首席科學(xué)家李菂團(tuán)隊

【創(chuàng)新團(tuán)隊】

◎?qū)嵙?xí)記者 都 芃

中國科學(xué)院國家天文臺研究員、500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡(FAST)首席科學(xué)家李菂及其團(tuán)隊成員的辦公室集中在中國科學(xué)院國家天文臺一棟辦公樓的五層，一出電梯映入眼簾的是一幅“千里江山圖”。

這是李菂以北宋著名畫家王希孟的傳世名畫《千里江山圖》為靈感來源，結(jié)合FAST相關(guān)成果請人繪制的一幅畫作。畫中的河流代表脈沖，山峰由真實的數(shù)據(jù)曲線勾勒，它們分別表示不同時間快速射電暴脈沖爆發(fā)的數(shù)量和能量。被譽為“中國天眼”的FAST則位于圖中左下方，靜靜洞察著一切。這張圖展示的便是李菂團(tuán)隊借助FAST在快速射電暴領(lǐng)域取得的豐碩成果。

不久前，李菂團(tuán)隊加入的國際科研團(tuán)隊通過長期監(jiān)測和智能計算，揭示了由李菂團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的世界首例持續(xù)活躍重復(fù)快速射電暴的磁場反轉(zhuǎn)。相關(guān)成果于今年5月發(fā)表在《科學(xué)》雜志。

5月30日，李菂被授予第三屆全國創(chuàng)新爭先獎。

揭開快速射電暴的面紗

提到李菂團(tuán)隊，繞不開的便是其關(guān)于快速射電暴的一系列突破性研究。不久前公布的2022年度中國科學(xué)十大進(jìn)展中，“FAST精細(xì)刻畫活躍重復(fù)快速射電暴”位列其中，李菂團(tuán)隊正是該研究的重要貢獻(xiàn)者。

快速射電暴是一種能量極強(qiáng)、位于射電波段的電磁波爆發(fā)，屬于宇宙中的極端爆炸?！翱焖偕潆姳┰趲缀撩霑r間里釋放的能量相當(dāng)于太陽幾天甚至一年內(nèi)釋放的能量。研究這種極端爆炸的產(chǎn)生機(jī)制可能對物理學(xué)和天文學(xué)產(chǎn)生革命性的影響?！崩钋呎f。

人眨一下眼的時間約為300毫秒，但快速射電暴的持續(xù)時間只有幾毫秒，這也注定了其極難被“捕捉”。

FAST的出現(xiàn)，讓快速射電暴的神秘面紗被一點點揭開。FAST是世界上口徑最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，當(dāng)它睜開雙眼，億萬光年外的宇宙空間盡收眼底。

時間回到2019年5月。彼時，李菂團(tuán)隊成員、在國家天文臺讀博的牛晨輝在處理FAST觀測數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)了一組與眾不同的數(shù)據(jù)。

“當(dāng)時，我很激動，我們很快排除了這是脈沖星和射電干擾，確定了該脈沖來自一個新的快速射電暴?！迸３枯x回憶道。依照國際慣例，該快速射電暴以探測日期被命名為FRB 20190520B。

在后續(xù)觀測中，研究人員發(fā)現(xiàn)該快速射電暴并不像其他快速射電暴閃爍一次便“神龍見首不見尾”，而是持續(xù)活躍、一直在閃耀。為了確定它的“老家”，研究人員邀請多國望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊共同觀測。

“在綜合分析觀測數(shù)據(jù)后，我們確定該快速射電暴的‘家’在一個距離我們30億光年的貧金屬矮星系?！迸３枯x介紹道。

在確定宿主星系信息后，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)FRB 20190520B從未停止爆發(fā)，這也使其成為全球發(fā)現(xiàn)的首例持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴，引發(fā)天文界廣泛關(guān)注。也正是這次發(fā)現(xiàn)，拉開了李菂團(tuán)隊圍繞重復(fù)快速射電暴開展研究的序幕。

2022年6月，關(guān)于全球首例持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴的研究成果正式發(fā)表。當(dāng)年12月，李菂團(tuán)隊再次發(fā)表關(guān)于快速射電暴的重要研究成果。研究人員通過FAST開展深度觀測，成功捕獲到了兩例快速射電暴的極端活躍期，并發(fā)現(xiàn)重復(fù)快速射電暴的少量爆發(fā)存在圓偏振輻射特征，且圓偏振度最高可達(dá)64%，再次加深了人類對于快速射電暴輻射機(jī)制的了解。

又過了半年，今年5月，同樣來自李菂團(tuán)隊的之江實驗室研究專家馮毅以論文共同第一作者的身份首次揭示了快速射電暴周邊磁場存在極端反轉(zhuǎn)，將快速射電暴起源研究又向前推進(jìn)重要一步。此次研究的對象，正是李菂團(tuán)隊的“老朋友”——3年前發(fā)現(xiàn)的全球首例持續(xù)活躍的重復(fù)快速射電暴FRB 20190520B。

尋找宇宙微弱的回響

除了瞄準(zhǔn)近年來愈加熱鬧的快速射電暴領(lǐng)域，F(xiàn)AST還有一個更加基礎(chǔ)的天文研究任務(wù)——中性氫巡天。李菂團(tuán)隊同樣在該領(lǐng)域取得了突破性成果。

中性氫研究是天文領(lǐng)域的前沿課題，能夠幫助天文學(xué)家解析恒星形成、星系結(jié)構(gòu)、氣體動力學(xué)和活動星系核的吸積與反饋等天體物理問題，對探究星系和宇宙的演化具有重要意義。目前，該領(lǐng)域的一個重要研究方向是利用原子氫氣譜線去探測星際磁場，其依賴的基本原理是塞曼效應(yīng)。

早在2003年，李菂便和其導(dǎo)師使用美國的阿雷西博望遠(yuǎn)鏡，率先提出利用氫氣的窄線自吸收(HINSA)探測塞曼效應(yīng)。從2003年至今，在近二十年的時間里，李菂和其他同行利用阿雷西博望遠(yuǎn)鏡、綠岸望遠(yuǎn)鏡以及加拿大等地的大型望遠(yuǎn)鏡嘗試探測HINSA的塞曼效應(yīng)，但結(jié)果均以失敗告終。

直到2021年，得益于FAST無與倫比的靈敏度和光路的純凈度，李菂團(tuán)隊首次成功探測到HINSA的塞曼效應(yīng)。

“我們在鄰近金牛座的分子云中，測量到約4微高斯的星際磁場，它相當(dāng)于地球磁場的十萬分之一。”李菂解釋道，這樣微弱的磁場抵抗不了云、分子、塵埃的向內(nèi)塌縮，分子云很快就會進(jìn)行重力塌縮，進(jìn)而形成下一代太陽。這就為解決恒星形成的三大經(jīng)典問題之一——磁通量問題奠定了基礎(chǔ)。相關(guān)成果于2022年1月在《自然》雜志以封面形式發(fā)表。

為了紀(jì)念這次突破，李菂同樣請人繪制了一幅畫，仿照的是東晉著名畫家顧愷之的《洛神賦圖》。磁場波紋蕩漾、宛如河流，分子云點綴在其中，醞釀著新星的誕生。李菂相信“宇宙中的劇烈變化，最終都會產(chǎn)生微弱的回響”。

在“無用”之處下功夫

每當(dāng)被問起研究距離人類億萬光年的宇宙有什么用時，李菂總是笑一笑回答：“現(xiàn)在看可能確實沒什么用，但這是為未來而做的研究。探索未知，這是人類的本能。很多東西人類現(xiàn)在不探索，可能就會在未來面對無法想象的生存危機(jī)?！?/p>

天文學(xué)作為既古老又現(xiàn)代的學(xué)科，是開展眾多科學(xué)研究的基礎(chǔ)。李菂認(rèn)為，基礎(chǔ)研究更多是靠個人興趣和全人類的好奇心驅(qū)動，并非一定是為了“有用”，這也是推動李菂團(tuán)隊不斷向前的重要驅(qū)動力。

新生入學(xué)后，李菂會將手頭的科研項目悉數(shù)擺出，讓學(xué)生挑選自己感興趣的方向。他對學(xué)生通常只有一個要求，就是不要將第一個參與項目直接變成最終的畢業(yè)論文。

“我希望他們多接觸、多探索，找到自己真正的興趣所在，然后再決定要在哪一個領(lǐng)域深入研究，而不是一上來就一條路走到底。”李菂解釋道。

回想起自己的求學(xué)經(jīng)歷，李菂認(rèn)為這種領(lǐng)導(dǎo)風(fēng)格或許來源于他的導(dǎo)師。

“我的導(dǎo)師對我啟發(fā)很大，他是一個很放松的人，幾乎不怎么限制我，任由我自己探索。所以我也不喜歡給團(tuán)隊設(shè)置太多條條框框，他們自己選擇，我給予力所能及的支持?！崩钋呎f。

結(jié)果也正如李菂所愿，團(tuán)隊中各類人才“百花齊放”。既有30歲出頭便擔(dān)任之江實驗室計算天文方向項目負(fù)責(zé)人的馮毅，也有李菂曾經(jīng)的博士生、因給中國空間站拍“寫真”而走紅網(wǎng)絡(luò)的科普大V劉博洋。

除了興趣和好奇心，李菂同樣看重交流的價值。為了調(diào)動團(tuán)隊溝通的積極性，李菂常在周末邀請團(tuán)隊成員一起到咖啡館里“頭腦風(fēng)暴”，并且每次選擇的店都不同，各有特色。團(tuán)隊成員在“探店”的過程中分享彼此的思考，碰撞出更多的火花。氛圍雖然輕松，管理卻不松散。大到研究獎金分配，小到辦公電腦選擇，都有量化的細(xì)則。

“科研外的大小事情，都根據(jù)規(guī)定來，我們共同遵守?！崩钋呎f。

如今，這個充滿激情與活力的團(tuán)隊正將目光投向宇宙更深處，努力為人類帶來更多驚喜。

來源：科技日報