时域天文学：静谧星空下的动态宇宙
时域天文学：静谧星空下的动态宇宙
1889年的一个夏夜，徘徊在幻觉与清醒之间的梵高 (Van Gogh) 创作出了《星月夜》(StarryNight)，用画笔表达着现实与思想复杂的交织与碰撞。浓重的颜料凝固在静态的画布上，却丝毫不妨碍人们在长久的凝视中陷入对宇宙无穷无尽的想象。粗大的线条在广袤的天空中游走、聚集又流向远方，宁静的星月夜就这样在画家的笔触下变得生动了起来。一百多年前的梵高或许已经想到，看似永恒不变的宇宙正上演着一场又一场激越的星际乐章。一百多年后的今天，同样有这样一群人试图描绘这个聒噪的动态宇宙，只是手中的画笔不再是蘸着各色颜料的毛刷，而是逼近人类科技探测极限的精密仪器。
科学·前沿
在过去的半个多世纪里，天文学家利用最先进的观测设备极大地推进了天文学的发展，积累了多波段、多信使、多目标的观测资料，人类逐渐开始了解恒星和宇宙的形成与演化。日新月异的观测进展不断刷新着人们对宇宙的理解与认识。
图1:2024年邵逸夫天文学奖得主Shrinivas R. Kulkarni教授（左一）和2024年邵逸夫天文学奖得主 Matthew Bailes教授（左二）, Duncan Lorimer 教授（右二）和Maura McLaughlin教授 （右一）。来源: The Shaw Prize
2024年5月21日，邵逸夫天文学奖授予Shrinivas R. Kulkarni教授（见图1），以表彰他对毫秒脉冲星、伽马射线暴、超新星和其他瞬变源的突破性发现。Kulkarni领导的光学巡天项目帕洛玛瞬变工厂 (Palomar Transient Factory, PTF；见图2) 与茨威基暂现源设施 (ZwickyTransient Facility, ZTF；见图2) 极大地丰富了天文学家对可见光波段动态宇宙的理解，是时域天文学不可或缺的基石。邵逸夫天文学奖已连续两年垂青时域天文学。2023年，马修•贝尔斯(Matthew Bailes) 教授、邓肯•洛里默(Duncan Lorimer) 教授和莫拉•迈克劳林(Maura McLaughlin) 教授凭借对快速射电暴的发现与理解共同获得了当年的邵逸夫天文学奖（见图1）。尽管人们对快速射电暴的前世今生还不甚了解，但是这一神秘遥远的宇宙电波无疑为方兴未艾的时域天文学推开了一扇全新的未知窗口。
图2:帕洛玛瞬变工厂 (左）与茨威基暂现源设施 （右）来源：Palomar Observatory/California Institute of Technology; Caltech/Palomar
发现·突破
1929年，哈勃-勒梅特定律的发现第一次让人们意识到宇宙正处在不断膨胀中，时间和空间在人类的宇宙观中开始流动。很快，物理学家运用全新的理论工具和观测资料在演算纸上描绘出了恒星的一生。然而，停滞不前的观测技术让人们只能透过夜空中闪烁的光点想象背后复杂、爆裂的生命历程。先进的理论预言亟待更灵敏的观测设备验证。直到第二次世界大战结束，人们意识到在战争中大放异彩的雷达技术具备开辟全新观测窗口的巨大潜力。一系列重大发现就此展开：人类第一次探测到来自宇宙的原子气体辐射，见证了原子物理在宇宙中的完美演绎，开创了星际介质天文学的时代；第一次探测到来自银河系外的类星体、第一次探测到宇宙微波背景辐射，为宇宙学研究提供了关键观测证据。宇宙慷慨回应着人类无止尽的好奇心，而人类不断将观测手段推向更灵敏的前沿。
图3: Jocelyn Bell教授（右二）与李菂研究员（右一）等人在国家天文台讨论 来源：新华网
1967年底，彼时还是研究生的Jocelyn Bell（见图3）在卡文迪许实验室研究类星体的星际闪烁，却意外发现了一串周期稳定在1.337秒的射电脉冲。经过复杂的验证后，Bell和她的导师Antony Hewish终于确认：这个精确的周期脉冲来源于预言已久的致密天体。脉冲星由此得名。脉冲星的发现再次刷新了人类对宇宙的理解：从太阳东升西落的十二时辰到下一秒钟，黑暗深邃的宇宙每时每刻都孕育着极端的物理过程。脉冲星作为散布在宇宙中的明亮灯塔，已经成为观测天文学的又一里程碑。而时间作为天文学家度量宇宙的重要工具，正以秒为单位刷新着天文学家的知识储备。自此，发展时域天文学、将观测手段向更快、更深处推进成为了天文学家共同期盼的重大课题。
图4:阿雷西博望远镜 来源：中佛罗里达大学
与脉冲星的发现几乎同时，阿雷西博望远镜在波多黎各建成运行（见图4）。20世纪80年代，在导师Carl Heiles教授（见图5）的指导下，同样是研究生的ShrinivasR. Kulkarni (见图6；以下简称Shri) 来到阿雷西博望远镜观测中性氢的21厘米谱线，为博士学位论文积累数据。借助这条于1951年新近发现的发射谱线，天文学家有机会探查宇宙中最丰富的可见物质—中性氢，从而描摹银河系的结构与性质。彼时，阿雷西博望远镜正在开展脉冲星巡天项目，以5.6毫秒的采样时间高速扫描银道面[1]。这一采样精度已经优于当时其他单天线射电望远镜，无疑具备发现更多未知脉冲星的潜力。而Shri为了获得更高精度的观测数据，将采样频率进一步提高到9微秒。于是，1颗自转频率高达642赫兹的毫秒脉冲星横空出世[2]。脉冲星再次将宇宙的变化时标缩短了3个数量级。此后，天文学家迅速建立起脉冲星的双星演化通道。Shri则将目光投向可见光观测，在首次发现脉冲星双星系统的光学辐射后一路高歌猛进，再次捕获了伽马射线暴的光学对应体，并证认了这类高能爆发现象的银河系外起源；发现褐矮星，填补了巨行星和恒星之间最后的质量空缺……此后，Shri先后领导建设了PTF和ZTF两大光学巡天设施，后者每两天即可对整个北天完成一次扫描，对新近发现的暂现源和变源编目并上传，建立了集发现、通报、多波段后随协同观测为一体的暂现源观测体系。
图5:Carl Heiles教授在FAST论坛作报告。右上：2023年度中国科学院国际科技合作奖证书 来源：王培
图6:Shrinivas R. Kulkarni教授（前排中）和众人聚餐 来源：李菂
人类搜寻宇宙电波的脚步从未停止。在对脉冲星巡天数据的分析中，DuncanLorimer, Matthew Bailes和Maura McLaughlin教授等人共同发现了一例来自小麦哲伦云方向，明亮到使设备饱和的射电脉冲[3]。与大多数脉冲星不同，这例脉冲仅持续几毫秒。高度色散的频谱暗示它来自远在银河系外的未知天体，遂得名快速射电暴。更重要的是，近百小时的后随观测再也没能捕捉到第二例探测。没有周期、不知远近、多波段对应体不知所踪，种种迹象让天文学家对这个“四不像”的射电脉冲束手无策。直到2015年，暮年的阿雷西博望远镜再次回应了人们的期待，确认了第一例可重复爆发的快速射电暴FRB 121102[4]。次年，500米口径球面射电望远镜（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST；见图7）正式落成，从阿雷西博手中接过接力棒，迎头追赶着人类对动态宇宙的好奇心。曾指导Kulkarni利用阿雷西博望远镜开展银河系中性氢探测[5]的Carl Heiles教授也直接参与了FAST的建设、调试与科研。Heiles及其合作者利用FAST开展的银河系中性氢观测，有机会揭秘星际磁场的前世今生。以中性氢作探针，天文学家开创了全新的测量方法，能够直接测量银河系分子云的磁场。Heiles教授本人因此获得2023年度中国科学院国际科技合作奖（见图5右上）。FAST的建成运行让我国天文学家站上了时域天文学的研究最前沿：细致刻画了快速射电暴的能量分布特征、首次从快速射电暴偏振信息的频率演化入手，擘画了快速射电暴的统一演化图景。快速射电暴一登场就吸引了全世界射电天文学者的目光，为二十一世纪时域天文学平添了一束短促、爆裂的刹那闪光。
图7:500米口径球面射电望远镜 来源：张永坤
聆听·未来
时域天文学从不缺少惊喜，只缺少捕捉惊喜的“眼睛”。以上种种奇妙的天象无一例外地来自于观测天文学家（甚至是观测新手）“无意为之”的全新发现。独具慧眼的敏锐直觉助力未知现象的发现，而先进的探测技术让天文学家天马行空的构想得以落地开花。集成像、光谱于一体的斯隆数字化巡天(Sloan Digital Sky Survey, SDSS) 正式开启了天文大数据时代，发现并编目了上百万个天体，描绘了宇宙大尺度结构的前世今生；时空遗珍巡天(LegacySurvey of Space and Time, LSST) 将引领属于大视场深度巡天的全新时代。伽马射线暴、超新星爆发、潮汐瓦解事件等等异彩纷呈的“宇宙焰火”不断在宇宙的各个角落持续上演。聒噪的宇宙正被人类仔细聆听，散布在星空中的点滴星光等待被记录。
图8: 宇宙触角概念图 来源：李菂
随着天文大数据时代的到来，人们已不满足于传统观测模式记录的图像、光谱等静态信息，而是越来越渴望收集宇宙中一切所能收集到的信号。无论是用肉眼观星，还是用大口径望远镜开展观测，本质都是收集并放大特定方向的电磁波，实现对微弱星光的聚焦。然而，通过聚焦收集电磁信号的方式不可避免地损失了绝大部分信息，同时也大大限制了可观测的视场。于是，新一代宇宙录像机“宇宙触角”应运而生（见图8）。茫茫宇宙中，来自各个方向遥远天体的未知信号深埋在电磁场的海洋中。以快速射电暴为例，2018年投入运行的加拿大氢强度测绘实验(The CanadianHydrogen Intensity Mapping Experiment, CHIME)凭借约200平方度的视场将快速射电暴源的数目从此前的几十例提高到数百例[7]，FAST在2021年将重复快速射电暴的爆发数目突破到四位数[8]。而宇宙触角将打开前所未有的时间采样、天区覆盖的组合参数空间，助力发现上万个快速射电暴源，实现跨量级的关键科学突破。面向未来，时域天文学的下一份惊喜需要大视场、高效率的实时录像机，细致挖掘隐藏在电磁场中的天外来信。
或许我们无法像科幻小说中的男主人公那样，佩戴上AR眼镜即可看见闪烁的宇宙，但天文学家正致力于使用最精密的观测设备，不断发现并记录宇宙中的神秘现象。时域天文学给了人类这样一个机会，能够借助转瞬即逝的宇宙电波，探索广袤而深邃的星际旷野。相信瞬息万变的动态宇宙不会让观测者失望。
本文原文来自中国科学院国家天文台