透过“天眼”望向宇宙更深处

本文转自：科技日报

透过“天眼”望向宇宙更深处

——记中国科学院国家天文台FAST首席科学家李菂团队

李菂（左四）与团队成员在FAST总控室。受访者供图

【创新团队】

◎实习记者 都 芃

中国科学院国家天文台研究员、500米口径球面射电望远镜（FAST）首席科学家李菂及其团队成员的办公室集中在中国科学院国家天文台一栋办公楼的五层，一出电梯映入眼帘的是一幅“千里江山图”。

这是李菂以北宋著名画家王希孟的传世名画《千里江山图》为灵感来源，结合FAST相关成果请人绘制的一幅画作。画中的河流代表脉冲，山峰由真实的数据曲线勾勒，它们分别表示不同时间快速射电暴脉冲爆发的数量和能量。被誉为“中国天眼”的FAST则位于图中左下方，静静洞察着一切。这张图展示的便是李菂团队借助FAST在快速射电暴领域取得的丰硕成果。

不久前，李菂团队加入的国际科研团队通过长期监测和智能计算，揭示了由李菂团队发现的世界首例持续活跃重复快速射电暴的磁场反转。相关成果于今年5月发表在《科学》杂志。

5月30日，李菂被授予第三届全国创新争先奖。

揭开快速射电暴的面纱

提到李菂团队，绕不开的便是其关于快速射电暴的一系列突破性研究。不久前公布的2022年度中国科学十大进展中，“FAST精细刻画活跃重复快速射电暴”位列其中，李菂团队正是该研究的重要贡献者。

快速射电暴是一种能量极强、位于射电波段的电磁波爆发，属于宇宙中的极端爆炸。“快速射电暴在几毫秒时间里释放的能量相当于太阳几天甚至一年内释放的能量。研究这种极端爆炸的产生机制可能对物理学和天文学产生革命性的影响。”李菂说。

人眨一下眼的时间约为300毫秒，但快速射电暴的持续时间只有几毫秒，这也注定了其极难被“捕捉”。

FAST的出现，让快速射电暴的神秘面纱被一点点揭开。FAST是世界上口径最大、最灵敏的单口径射电望远镜，当它睁开双眼，亿万光年外的宇宙空间尽收眼底。

时间回到2019年5月。彼时，李菂团队成员、在国家天文台读博的牛晨辉在处理FAST观测数据时，发现了一组与众不同的数据。

“当时，我很激动，我们很快排除了这是脉冲星和射电干扰，确定了该脉冲来自一个新的快速射电暴。”牛晨辉回忆道。依照国际惯例，该快速射电暴以探测日期被命名为FRB 20190520B。

在后续观测中，研究人员发现该快速射电暴并不像其他快速射电暴闪烁一次便“神龙见首不见尾”，而是持续活跃、一直在闪耀。为了确定它的“老家”，研究人员邀请多国望远镜团队共同观测。

“在综合分析观测数据后，我们确定该快速射电暴的‘家’在一个距离我们30亿光年的贫金属矮星系。”牛晨辉介绍道。

在确定宿主星系信息后，研究人员进一步发现FRB 20190520B从未停止爆发，这也使其成为全球发现的首例持续活跃的重复快速射电暴，引发天文界广泛关注。也正是这次发现，拉开了李菂团队围绕重复快速射电暴开展研究的序幕。

2022年6月，关于全球首例持续活跃的重复快速射电暴的研究成果正式发表。当年12月，李菂团队再次发表关于快速射电暴的重要研究成果。研究人员通过FAST开展深度观测，成功捕获到了两例快速射电暴的极端活跃期，并发现重复快速射电暴的少量爆发存在圆偏振辐射特征，且圆偏振度最高可达64%，再次加深了人类对于快速射电暴辐射机制的了解。

又过了半年，今年5月，同样来自李菂团队的之江实验室研究专家冯毅以论文共同第一作者的身份首次揭示了快速射电暴周边磁场存在极端反转，将快速射电暴起源研究又向前推进重要一步。此次研究的对象，正是李菂团队的“老朋友”——3年前发现的全球首例持续活跃的重复快速射电暴FRB 20190520B。

寻找宇宙微弱的回响

除了瞄准近年来愈加热闹的快速射电暴领域，FAST还有一个更加基础的天文研究任务——中性氢巡天。李菂团队同样在该领域取得了突破性成果。

中性氢研究是天文领域的前沿课题，能够帮助天文学家解析恒星形成、星系结构、气体动力学和活动星系核的吸积与反馈等天体物理问题，对探究星系和宇宙的演化具有重要意义。目前，该领域的一个重要研究方向是利用原子氢气谱线去探测星际磁场，其依赖的基本原理是塞曼效应。

早在2003年，李菂便和其导师使用美国的阿雷西博望远镜，率先提出利用氢气的窄线自吸收（HINSA）探测塞曼效应。从2003年至今，在近二十年的时间里，李菂和其他同行利用阿雷西博望远镜、绿岸望远镜以及加拿大等地的大型望远镜尝试探测HINSA的塞曼效应，但结果均以失败告终。

直到2021年，得益于FAST无与伦比的灵敏度和光路的纯净度，李菂团队首次成功探测到HINSA的塞曼效应。

“我们在邻近金牛座的分子云中，测量到约4微高斯的星际磁场，它相当于地球磁场的十万分之一。”李菂解释道，这样微弱的磁场抵抗不了云、分子、尘埃的向内塌缩，分子云很快就会进行重力塌缩，进而形成下一代太阳。这就为解决恒星形成的三大经典问题之一——磁通量问题奠定了基础。相关成果于2022年1月在《自然》杂志以封面形式发表。

为了纪念这次突破，李菂同样请人绘制了一幅画，仿照的是东晋著名画家顾恺之的《洛神赋图》。磁场波纹荡漾、宛如河流，分子云点缀在其中，酝酿着新星的诞生。李菂相信“宇宙中的剧烈变化，最终都会产生微弱的回响”。

在“无用”之处下功夫

每当被问起研究距离人类亿万光年的宇宙有什么用时，李菂总是笑一笑回答：“现在看可能确实没什么用，但这是为未来而做的研究。探索未知，这是人类的本能。很多东西人类现在不探索，可能就会在未来面对无法想象的生存危机。”

天文学作为既古老又现代的学科，是开展众多科学研究的基础。李菂认为，基础研究更多是靠个人兴趣和全人类的好奇心驱动，并非一定是为了“有用”，这也是推动李菂团队不断向前的重要驱动力。

新生入学后，李菂会将手头的科研项目悉数摆出，让学生挑选自己感兴趣的方向。他对学生通常只有一个要求，就是不要将第一个参与项目直接变成最终的毕业论文。

“我希望他们多接触、多探索，找到自己真正的兴趣所在，然后再决定要在哪一个领域深入研究，而不是一上来就一条路走到底。”李菂解释道。

回想起自己的求学经历，李菂认为这种领导风格或许来源于他的导师。

“我的导师对我启发很大，他是一个很放松的人，几乎不怎么限制我，任由我自己探索。所以我也不喜欢给团队设置太多条条框框，他们自己选择，我给予力所能及的支持。”李菂说。

结果也正如李菂所愿，团队中各类人才“百花齐放”。既有30岁出头便担任之江实验室计算天文方向项目负责人的冯毅，也有李菂曾经的博士生、因给中国空间站拍“写真”而走红网络的科普大V刘博洋。

除了兴趣和好奇心，李菂同样看重交流的价值。为了调动团队沟通的积极性，李菂常在周末邀请团队成员一起到咖啡馆里“头脑风暴”，并且每次选择的店都不同，各有特色。团队成员在“探店”的过程中分享彼此的思考，碰撞出更多的火花。氛围虽然轻松，管理却不松散。大到研究奖金分配，小到办公电脑选择，都有量化的细则。

“科研外的大小事情，都根据规定来，我们共同遵守。”李菂说。

如今，这个充满激情与活力的团队正将目光投向宇宙更深处，努力为人类带来更多惊喜。