每当黑夜降临，头顶的星空都会提醒我们宇宙的广袤与神秘。而在诸多天文现象中，快速射电暴（fast radio burst, FRB）可以说是宇宙中最大的谜团之一。
FRB起源于银河系之外，它最大的特点就是能在极短时间内释放出大量能量——这种来自宇宙深处的能量爆发可以在几毫秒内闪现又消失，但一次就能释放出目前全人类年发电量几百亿倍的能量。
然而，对于这样一个剧烈的现象，我们却几乎一无所知。从2007年第一例FRB被观测到以来，天文学家曾提出过许多模型，试图解释FRB的起源。但他们缺少检验这些模型最关键的数据——关于FRB中心引擎区域物理特性的观测资料。
过去十几年里，天文学家发现FRB分为两种，一种只能爆发一次，另一种则能重复爆发——而当时全世界探测到的重复暴仅有21例。就在2021年4月，北京大学李柯伽团队抓住了一次宝贵的机会，他们利用我国500米口径球面射电望远镜（“中国天眼”，FAST）探测到了一次FRB的重复暴——FRB20201124A。
最神秘的天文现象
这个宝贵的信号中，或许隐藏着新的线索。李柯伽立即将这一观测结果分享给了隔壁办公室的“科研邻居”东苏勃。
东苏勃并不是专注于FRB的研究者，此前，他的主要研究领域是系外行星、超新星和微引力透镜。也正是基于在这些领域的研究成果，东苏勃在2020年获得了“科学探索奖”。作为目前国内金额最高的青年科技人才资助计划之一，“科学探索奖”却与诸多“奖励成果”的奖项不同——这是一个由“科学家说了算”的奖项，获奖者可以在研究路上自由探索，勇敢涉足科学“无人区”。
从某种程度上，东苏勃与科学探索奖“面向未来、奖励潜力、鼓励探索”的宗旨非常契合——他从未被过往经历限制住，还在不断拓宽关注的天体范围。因此，当李柯伽带来了好消息后，东苏勃马上组织团队对FRB20201124A的宿主星系展开光学观测。
科学探索奖
李柯伽主攻射电天文，而东苏勃则是光学天文的好手。如果说他们俩有什么共同点，那就是都对那些少有人涉足的问题充满热情和勇气。在那之后的54天里，李柯伽团队利用FAST牢牢盯住FRB20201124A，研究团队在82个小时的观测时间内观测到了1863次爆发，这让FRB20201124A成为了已知最活跃的FRB之一。
与此同时，东苏勃也紧锣密鼓地展开了另一项任务——通过光学观测确认FRB20201124A宿主星系的性质。这是一个尺度和银河系相当的富金属棒旋星系，这种星系的恒星形成活动较弱，而FRB20201124A还处在该星系恒星密度较低的区域。关于FRB的起源，当前最流行的模型需要年轻磁星（具有超强磁场的中子星）的参与，但FRB20201124A所处的环境太过宁静，几乎不可能产生年轻磁星。也就是说，天文学家需要新的模型来解释FRB的产生机制。
观测团队还记录下了快速FRB法拉第旋转量怪异的动态演化过程——电磁波在宇宙中穿行时，星际磁场改变它的偏振方向，这被称为法拉第旋转量。在观测的前36天，法拉第旋转量以短时标无规律地变化，而在随后的18天里法拉第旋转量几乎不变。
综合其他观测现象，研究团队认为，在该FRB源周围大约1天文单位（地球到太阳的距离）内，存在一个复杂的、动态演化的磁化环境。通过偏振震荡的现象，还能将磁场的强度限制在高斯量级以上。
研究团队排除了“传统”的FRB模型。但对于FRB这个远远算不上成熟的学科而言，哪会有“传统”。直接观测到FRB核心区的物理参数，并由此给出FRB附近星际磁场的限制，就已经算得上在FRB这个科学无人区里迈出了坚实的一步。最终，2022年9月21日，这项成果发表在国际学术期刊《自然》（Nature），李柯伽和东苏勃均为文章的通讯作者。而李柯伽也与他的“科研邻居”一样，成为了2022年“科学探索奖”的获奖者。
制图 :马克 · 罗斯（Mark Ross）
从0到1
某种程度上说，能够获得这样的突破并不是因为观测团队运气太好，而是因为FAST灵敏度太高，可以观测到被其他望远镜忽略的微弱信号。可以说，没有FAST的支持，两位天文学家不可能取得这样的成就。
此前，FAST就曾在天文观测上创造了不少奇迹。它能观测到其他望远镜无法测量的微弱偏振信号，还能让那些不重复的FRB“变成” FRB重复暴——因为FAST能观测到其他望远镜无法观测到的微弱爆发。
当我们细数FAST所创造的“天文奇迹”时，或许会忘记，FAST本身就是就是一个“工程奇迹”。为了观测到更暗弱的天文现象，天文望远镜需要增大接收面积。作为全球最大的单口径射电望远镜，FAST在满足天文学家的要求时显得有些“简单粗暴”，但却十分有效。并且由于它的单口径结构，在数据处理上比多个射电望远镜组成的干涉阵列简单得多，天文学家在观测时也更灵活。
为了跟踪、变更观测目标，FAST的反射面是可动的。反射面可以在触动器的控制下形变，将电磁波精准汇聚到馈源仓中。从没有人建设过FAST反射面这样大的索网结构。如果将FAST想象成一口大锅，将它装满水的话，全世界每个人都能分得4瓶。更何况，这种索网结构要在30年的设计寿命中经历无数次形变，精度还要达到毫米级别。30多年的金属疲劳效应、世界上最庞大的规模、工程上夸张到不合理的精度，FAST给建设者提出了前所未有的挑战。
没有人尝试过建设这样规模的项目，没有人能保证这样的项目顺利建成。2009年，现在FAST的总工程师姜鹏刚刚博士毕业，他是一名结构工程师。当他看到FAST的建设规划时，这样超出常规的结构甚至让他怀疑这是一个“忽悠人”的项目——这是一个有太多不确定性的项目，建设者面临着巨大的挑战。
姜鹏最终依然选择加入了FAST的建设团队。FAST的设计寿命是30年，但工程设计必须留有余量。姜鹏分析后发现，FAST需要的钢索疲劳强度是传统钢索的2倍以上。没有这样的钢索，FAST的建设就无从谈起。姜鹏团队展开了研制钢索的试验，经历了近百次失败，他们终于在一年半后成功研制出了疲劳强度达国家标准2.5倍的高性能钢索。这可能是有史以来最系统、最大规模索疲劳试验——很难想象这样的试验竟然是一个名为“天文台”的单位推进的。
除了钢索指标之外，FAST还有很多工程问题需要工程人员去克服：钢索的批量生产和安装；克服热胀冷缩设计的“滑移支座”；4450块、380种板材构成的结构面设计；反射面从球面到抛物面的形变控制；以及复杂工程带来的工程管理问题。这都是没人应对过的问题，FAST工程团队逐一克服了这些困难。作为我国射电天文核心技术的探索者，姜鹏也在2022年获得了“科学探索奖”。
2021年和2022年“科学探索奖”颁奖典礼11月26日在线上举行
耐得住科学家的寂寞
没人知道FAST还能给天文学理论带来怎样的贡献，但可以确定的是，它一定会有更多贡献。因为姜鹏克服的那些困难正是为了建设全球最大、最灵敏的单口径射电望远镜而产生的。面对茫茫无际的宇宙，人类显得如此渺小须臾。但总有一群青年科学家，在他们眼中，宇宙虽然无垠，虽然没有前人探索过，但这正是值得他们去开拓和扎根的处女地。
目前，科学探索奖已经资助了200位优秀青年科学家，他们都像姜鹏、李柯伽和东苏勃一样，在各自的学术无人区不断拓宽人类认知的边界，为实现更多“从0到1”的科学突破而奋斗。仅在2022年一年间，相关青年科学家们的成果和获得奖项就已超过百项，广泛分布在各个重要基础科学和前沿技术领域。
“科学探索奖”的获奖者为何能取得如此丰硕的成果？今年“科学探索奖”最年轻获奖人、北京邮电大学研究员王光宇的话或许能够提供一些解释：“（获奖）为我从事更有挑战性的工作提供了很多容错空间。”在她看来，“科学探索奖”直接资助探索期青年科技工作者的宗旨别开生面，她可以抛却更多顾虑，以探索为先，敢闯“无人区”。
科学探索，潮汐之上。2021年和2022年“科学探索奖”颁奖典礼11月26日在线上举行，100位青年科学家通过腾讯会议线上同屏，分享荣耀时刻，站上新的起跑线。科学研究或许是寂寞的，但“科学探索奖”愿意“耐得住科学家的寂寞”。
作为一项由科学家主导的公益奖项，“科学探索奖”鼓励青年科技工作者心无旁骛地探索科学“无人区”，探索社会支持基础研究的长效机制，期待成为国家支持基础科研的有益补充。
来源：科学探索奖
转自：“科研圈”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
