“中國天眼”將建擴展陣 為尋找地外生命“做功課”

據科技日報8月1日報道，“中國天眼”要邁出探索地外生命的步伐了。

科學家認為，宜居的星球除了應當有水、適宜的温度和大氣外，還有一個必要條件——磁場。

作為世界上最大的單口徑射電望遠鏡， 500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)將鎖定太陽系外的太空，在距離地球約100光年的範圍內尋找與地球一樣擁有磁場的行星，助力尋找地外生命。近期，中法等國天文學家在《天文學及天體物理》雜誌上發表了這一觀測計劃。

從零到一： 尋找首顆系外“磁行星”

磁場對於生命來説至關重要。

“地球磁場牢牢抓住地球表面的大氣，避免其被太陽風吹走，隔絕了絕大多數強烈的宇宙射線，可保護生命不受射線的傷害。”中國科學院國家天文台研究員、FAST首席科學家李菂在接受科技日報記者採訪時表示。

太陽風是從太陽上層大氣射出的超聲速等離子體帶電粒子流，當這種等離子體流到達地球附近時，大部分流體會被地球磁場干擾，繞過地球繼續向太陽系外圍前進。其餘的一小部分則隨着地球磁場線進入兩極，並與空氣碰撞，形成絢麗多彩的極光，而非直接照射到動植物體身上。

那麼，地球磁場是如何形成的？

“地球內部的高温導致物質融化，大量電離物質特別是液態的鐵金屬，隨着地球自轉長期處於運動之中，使地球形成了一個強度較穩定、具有南北磁極的磁場。”李菂告訴記者，目前關於地球磁場的細節問題也是學界研究的熱點之一，如經常出現磁場反轉、磁極加速移動等。

在太陽系的八大行星中，除了地球，還有5顆擁有行星尺度的磁場，分別是水星、木星、土星、天王星和海王星，這些行星磁場的形成機制與地球大致相同。而對於太陽系外的空間，目前學界尚未真正探測到過擁有磁場的行星，但天文學家們已經發現了一些擁有磁場的褐矮星。褐矮星又被稱為“失敗的太陽”，因為它們相較於行星來講太大了，最輕的褐矮星質量也有十幾倍的木星大小；而相對於在核內發生氫聚變的恆星來説又很小。2018年，研究人員發現了一顆質量介於行星和褐矮星之間的天體(SIMP)，磁場比木星還要強200倍左右。

“這讓我們有理由相信，太陽系外也會存在很多有磁場的行星，FAST將要做的，就是突破這個零。”李菂説。

提升“視力”： 擴展陣助分辨率提升百倍

在星際的巨大尺度中，磁場的探測永遠是個很難的問題。

對於太陽系內的行星結構、物理現象、甚至磁場，我們可採用發射探測器等方式直接探測。但系外行星對於空間探測器來説，遙不可及。只能通過地球上或附近的空間望遠鏡等設備接收信號，測量恆星的位置和速度是否變化來推測其周圍是否存在行星；後來進一步發展利用“掩星”或引力透鏡的現象進行觀測，而上述常規的探測方式皆與行星內部的磁場相關度不高。

近20年來，一部分天文學家開始鎖定射電信號，以期觀測行星的磁場。為何會選在射電波段呢？

“如果行星有磁場，那麼在主恆星星風的作用下，便會產生電磁輻射。特別是在射電這一頻率跨度很寬的波段。”李菂表示。再者，對於地面的射電望遠鏡而言，大氣層是“透明”的，即宇宙中的射電信號能量低、波長長，穿過大氣層時不易散射，能夠保留較為完整的信息被地面望遠鏡這雙“眼睛”接收。以木星為代表的大行星輻射就發生在射電波段，這也啓發人們在尋找其他同樣具有磁場的行星時重點關注射電信號。

“FAST最大的優勢在於接收射電信號的總面積很大，靈敏度高。”在李菂看來，FAST單位接收面積的性價比也很高。雖然世界上存在綜合性能更強的射電望遠鏡，如某些陣列式望遠鏡，又如8台望遠鏡構成、觀測首張黑洞照片的“事件視界望遠鏡”等，這些望遠鏡雖然分辨率更高，也能做很多FAST目前無法完成的觀測內容，但由於每個陣列單元都要有獨立的接收設備和傳送、處理信號裝置，因此成本將會指數級增長。FAST造價只有12億人民幣，而由66個望遠鏡單元組成的ALMA射電望遠鏡的造價為10億英鎊，摺合成人民幣約92億元。

“FAST已經將靈敏度發揮到了極致，但由於口徑的限制，觀測系外行星時的分辨率還達不到理想要求。我們希望能夠建設FAST擴展陣，將空間分辨率提升10—100倍。”李菂透露，目前計劃採用5米口徑的天線和簡易接收單元，在現有的“球面”周圍鋪設成密集網，將原本300米有效基線擴大至幾十公里。為了節省成本，擴展陣的每個單元不設置數字信號處理裝置，而是利用光纖將接收到的電信號直接傳輸到在FAST的總處理器上。如此一來，“天眼”對於弱點源的響應性能將會大幅提升，“視力”進一步提高。

打開新窗： 或改變對地外生命現有認知

FAST一旦接收到第一顆系外行星的射電信號，將意味着打開系外宜居行星探索的新窗口。

“當這種探測大範圍展開後，很有可能會得到一個結論，即表明太陽系之外行星磁場是普遍存在的。”李菂認為，雖然磁場並非地外生命存在的唯一條件，但作為保護生命的重要因素，未來愈發多樣、詳細的行星磁場的探測將會改變人們對地外生命的現有認知，甚至將為搜索智慧生命和地外文明提供助力。

以目前觀測到的數據，銀河系之內、太陽系之外存在生命的條件是普遍存在的。“如果近期完全找不到地外生命的影子，反而是不可思議的。”李菂告訴記者，地球上各種極端條件下皆存在着生命，人們在地外也探測到構成生命的C、H、O等必要元素和大量複雜分子。銀河系誕生了100多億年。恆星、行星、磁場、水以及足夠的時間，這些生命演化的必要因素齊備，為何不會存在地外生命？

很快，FAST將會邁出這一步，擴展陣也將在3—4年內建成，助力搜索系外行星的射電信號。

除此之外，FAST將在2019年9月結束長達3年的測試期，正式投入使用。超過10個國家和地區的天文學家的科學團隊正在從事FAST相關研究。李菂透露，以中國科學院國家天文台為首的科研團隊已經制定了兩個系統化的巡天計劃：FAST多科學目標同時巡天計劃(CRAFTS)和銀道面及仙女座星系巡天計劃(GAS)。目前這兩個計劃已經確立了相關模式，進行了大量的技術測試，預期今年年底前正式展開，將成為FAST系統科學產出的主要依據，預期發現上千顆脈衝星、幾十萬個新的氣體星系、超過100億個像素點的新一代原子氫氣天圖。

“FAST多個觀測項目，特別是兩個系統巡天計劃，將力爭在脈衝星黑洞系統、引力波源、基本物理常數、星系演化、生命的太空起源等方向催生重大突破。”李菂説。