中國的這口“大鍋”，會決定美國射電天文學的未來嗎？

防走失，電梯直達安全島報人劉亞東A

來源：Undark等

編譯 ：武大可 魏瀟

圖片來源：Pixabay

對於美國康奈爾大學的天文學家 James Cordes 以及他的衆多同行來說，位於波多黎各的阿雷西博望遠鏡（Arecibo）在去年突然垮塌徹底攪亂了他們的研究計劃。Cordes 研究脈衝星，它是巨型恆星爆發後的遺留物，能夠週期性發出射電脈衝信號。射電天文學家可以利用阿雷西博這樣的射電望遠鏡捕捉到它的無線電波，據此研究恆星演化或者發現遙遠星系。

顯而易見，阿雷西博的突然“下線”打了 Cordes 和同行們一個措手不及。2020 年，兩根斷裂的支持鋼纜讓這臺世界第二大射電望遠鏡陷入沉默。隨後，懸掛在望遠鏡主反射面上方的儀器平臺徹底墜毀，阿雷西博望遠鏡 57 年的觀測歷史就此畫上句號。美國的射電天文學家們失去了一臺珍貴的觀測設備，甚至連同等靈敏度的替代者都很難找到了。

幸運的是，中國“天眼” FAST 來了。這臺位於中國貴州山區的 500 米口徑球面射電望遠鏡 2016 年建造完畢，是目前世界上最大的單口徑射電望遠鏡，靈敏度是阿雷西博的 2.5 倍以上。2021 年 3 月31 日起，FAST 向全球科學家開放觀測項目申請。據悉，7 月下旬確定觀測項目後，FAST 會從 8 月起執行觀測。一位參與 FAST 觀測項目申請評估的中國射電天文學家在接受 Undark 採訪時表示，他們希望 FAST 向世界開放不僅能夠幫助天文學家做出更好的科學發現，還希望藉此機會爲射電天文學領域打開一扇新的窗口，催生更多突破。

中國天眼，或許正在成爲大洋彼岸天文學界的新希望。

中國“天眼” FAST 圖片來源：Steven Sun

Cordes 和同事希望利用 FAST 完成北美納赫茲引力波天文臺（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrave）項目裡的一些工作。團隊需要觀察脈衝星以精確間隔發出的脈衝，監測它們是否比預期更早或更晚地到達地球。由此形成的複雜時間表能夠證明引力波的漣漪對宇宙結構的拉伸和擠壓。要完成這一工作，天文學家們必須每兩週對一個脈衝星網絡做一次監測，他們在這之前使用的是阿雷西博望遠鏡和美國第二大觀測設施——西弗吉尼亞州的綠岸天文臺（Green Bank Telescope）。在阿雷西博垮塌後，團隊不得不另尋出路。

NANOGrav 的資深學者、美國西弗吉尼亞大學（West Virginia University, WVU）的物理和天文學教授 Maura McLaughlin 也打算申請讓 FAST 觀測“旋轉無線電瞬態”（rotating radio transients , RRATs）——一種脈衝星在偶然狀態下才會出現的短暫狀態。她的研究團隊曾使用阿雷西博望遠鏡發現了一些難以觀測到的 RRATs。如今阿雷西博已經無法繼續使用，FAST “真的是唯一可用的望遠鏡了”，McLaughlin 說。

從恆星間複雜的化學研究，到起因仍然是謎團的射電暴，不論哪一種（觀測）提案都是 FAST 團隊希望看到的。WVU 的另一位物理和天文學教授 Loren Anderson，對利用 FAST 揭示大型恆星對周圍空間的影響，以及如何抑制新恆星的形成很感興趣，這一研究能幫助科學家理解星系的演化。“在 FAST 起步的時候，阿雷西博狀態還好，”他說，“可它現在已經‘死’了。我覺得這讓 FAST 更具吸引力了。它現在是舉世無雙的觀測設施了。”

FAST 也是研究宇宙基本組成——中性氫的關鍵。搭載其上的設備之一已被證明會在這一研究中發揮作用。由澳大利亞工程師設計製造的接收器使得 FAST 能夠同時對天空中 19 個獨立的點進行觀測。

中國與澳大利亞的射電天文學家常在類似的項目中密切合作，部分原因是他們已通過另一個望遠鏡項目建立了聯繫——平方公里陣列射電望遠鏡（Square Kilometer Array，美國 2011 年退出了這一項目）。通過天文學家們的奮鬥，這一陣列包括了遍佈南非和澳大利亞的數千個“圓盤”和百萬條天線，它們共同組成了一個巨大的望遠鏡陣列。

平方公里陣列射電望遠鏡的藝術想象圖。圖片來源：SPDO/TDP/DRAO/Swinburne Astronomy Productions

但中美兩國科學家的合作可能會面臨一些麻煩與困難。例如，在美國國立衛生研究院（National Institutes of Health）近期的調查中，數十人因爲沒有透露自己來自他國的資金或所參與的他國人才計劃而被開除或辭退——這其中 93% 都與中國有關。

2011 年的“沃爾夫修正案（Wolf Amendment）”不允許 NASA、美國科學技術政策辦公室和美國國家空間委員會的科學家在未上報的情況下與中方開展合作。美國戰略與國際研究中心（Center for Strategic and International Studies）的 Makena Young 說，“有些人害怕我們把技術機密泄露給我們的競爭者。”

儘管有這一紙禁令，但當中國在 2019 年將第一臺月球探測器嫦娥四號送到月球背面時，NASA 的一臺月球軌道探測器還是爲它拍攝了照片。對於太空項目，Young 說，“這確實是近十年雙方合作的最好代表了。”

Young 認爲，沃爾夫修正案有礙科學創新，限制了觀點的多樣性，並在一定程度上導致了更激烈的競爭。

不過美國射電天文學家仍然可以找到與中國合作的機會。例如，綠岸天文臺的科學家就參與了建設 FAST 的諮詢工作。McLaughlin 獲得了美國國家科學基金會的資助，每年夏天將自己的學生從 WVU 送往中國。她曾爲在撥款申請中包括了這一交換項目而憂慮，擔心這會使她被限制或遭受更多審查，但這沒有發生。“我們並沒有遇到這方面的問題。”她說。

McLaughlin 說，中國參與的國際脈衝星計時陣列（International Pulsar Timing Array）是一項全球性的合作，彙集了許多類似於 NANOGrav 的小規模項目，但這一合作並未影響 NANOGrav 獲取美國經費。她從個人角度和科學角度都對此很感激。“大多中國同事與我們的合作十分緊密，彼此十分了解，”她說，“彼此有很深的信任。”

由於與中國的科學設施建立聯繫對於許多類型的研究十分重要，這樣的信任可能是研究的關鍵。McLaughlin 說，若非依靠這樣的大型望遠鏡，她和團隊的想要進行的觀測多半是無法進行的。

在過去幾十年裡，中國一直在加強國際科學參與度。以天文學領域爲例，近年來，“慧眼”和“極目”兩顆衛星相繼進入太空，對全天區的伽馬射線暴——宇宙中最耀眼的事件進行觀測。四川錦屏地下實驗室也投入使用，上方的地表屏障使其能夠不受干擾地獲取最原始的數據，將爲暗物質探測和粒子物理學研究提供有力支撐。此外，中國還計劃在新疆奇台建造一座比美國綠岸射電望遠鏡還要大的 110 米口徑全可動射電望遠鏡。這臺射電望遠鏡的“碟子”裝有一系列制動器，可以受控旋轉，觀測範圍能覆蓋 75% 的天區。

在這一系列行動的最前沿，是與國際天文學界分享嫦娥五號月球着陸器所收集的樣本。該探測器於 2020 年 12 月回到地球，帶回了 1731 克月球土壤。通過研究這些珍貴的樣本，科學家們能夠探索月球的起源和演變（美國的政策可能會阻止一些共享計劃）。

這樣的基礎設施與合作方式對科學本身的發展是有利的。與此同時，它也在增強中國的軟實力。FAST 團隊的一位中國學者對 Undark 表示，FAST 開放主要是被研究驅動的，並且這一時間安排是由 FAST 於 2020 年初所通過的技術檢查和科學驗證所決定的。“望遠鏡是爲天文學、爲科學而建造的。對從事觀測研究的天文學家，全球各地的任何望遠鏡只要能夠滿足他們的科學需要，他們就希望去使用。”他說，“我們很樂於看到這種開放能夠在文化交流中扮演積極角色，並展示出國際合作的重要性。”

不過，Cordes 和他的同事們可能需要“排一會隊”才能用上中國天眼。FAST 運行和發展中心常務副主任、總工程師姜鵬在接受央廣網採訪時表示，FAST 面向全球科學界開放的第一年分配給國外科學家的觀測時間約佔 10%（大約 450 個小時），而海外觀測需求更大，競爭程度將更加激烈。“海外總體天文學家的數量也可能比國內要多得多，所以我想他們的競爭可能會比較激烈，只是初步預期是這樣，還要看最後申請的結果。只要能得到申請，在使用上大家都一視同仁。”