天眼望蒼穹，讓中國之眼看見宇宙未知丨專訪李菂

提到中國天眼，很多人只知道它是大國重器，是世界最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，中國天眼到底在看什么呢？宇宙到底藏著多少秘密？

李菂，中國天眼 FAST 原首席科學(xué)家、清華大學(xué)講席教授，2007年—2011年曾在美國航空航天局（NASA）工作，2008年起投身參與中國天眼建設(shè)，海外求學(xué)、回國筑夢，他和團(tuán)隊用天眼捕捉到宇宙一個個神秘信號。

《問答神州》專訪李菂，帶你看懂天眼到底有多厲害，天文學(xué)家們到底在看什么？

人類擁有同一片天空

科學(xué)無界限

中國天眼 FAST（貴州）

500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡

世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡

五大科學(xué)目標(biāo)：探索宇宙起源及演化、觀測脈沖星、捕獲天體超精細(xì)結(jié)構(gòu)、探索太空生命起源、搜尋外星文明

1994年由中國天文學(xué)家南仁東提出構(gòu)想

2007年批復(fù)立項(xiàng)

2016年9月落成啟用

2020年3月正式向全球開放共享

左：李菂 右：南仁東

吳小莉：作為目前最大口徑的天眼，它的數(shù)據(jù)從一開始就計劃對外公開，你也特別強(qiáng)調(diào)不怕公開，因?yàn)樽钪匾氖枪_之后誰學(xué)得快、理解得好，中國科學(xué)家在這方面有什么優(yōu)勢？

李菂：有自己的設(shè)備，科學(xué)家會投入更多的思考和力量，進(jìn)而擁有更多創(chuàng)新的機(jī)會。當(dāng)然這個行業(yè)也有它的獨(dú)特性，實(shí)際上也是南仁東老師比較喜歡說的，人類擁有同一片天空，我們很難畫地為牢。比如我往北看發(fā)現(xiàn)的星星或星系，我并不能阻止別人去研究它，不可能把天上畫出來，這塊歸我，這塊歸你，所有它就有內(nèi)稟的開放性，有國際合作的基礎(chǔ)。

實(shí)際上整個天文界，特別是這些領(lǐng)先的設(shè)備，國際開放做得越好，科學(xué)的質(zhì)量就越高；越是保守，實(shí)際上工作的效率會越低。另外開放也是一種強(qiáng)勢的表達(dá)，你只有有了優(yōu)勢設(shè)備，才有開放的資格和勇氣。我們在天文學(xué)的子領(lǐng)域里，它的核心性能指標(biāo)上取得了國際領(lǐng)先，這才讓其他國家有了使用中國設(shè)備的動力。

吳小莉：目前中國天眼有四百多個合作項(xiàng)目，來自三十多個國家，在目前這種科學(xué)的壁壘開始出現(xiàn)的國際社會當(dāng)中，我們開放設(shè)備讓他們使用，他們的數(shù)據(jù)能夠共享給中國嗎？中國科學(xué)家在其中有沒有參與？

李菂：很多項(xiàng)目中國科學(xué)家都有參與。開放是相對徹底的，誰先提出這個項(xiàng)目，從拿到數(shù)據(jù)起有一年的保護(hù)期，這一年里提出團(tuán)隊可優(yōu)先處理分析，一年后數(shù)據(jù)就全部開放。我自己參與較多的國際合作，一個是外星人的搜尋，另一個是快速射電暴的觀測和研究。

天眼建設(shè)

深空突破：快速射電暴藏宇宙奧秘

快速射電暴是 2007 年人類首次發(fā)現(xiàn)的宇宙神秘天象，是來自銀河系外的極端高能無線電爆發(fā)，持續(xù)時間僅千分之幾秒，卻蘊(yùn)含著極其巨大的能量，其起源與物理機(jī)制至今仍是天文學(xué)界的重大謎題，也是當(dāng)下宇宙探索的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。

2019年起李藥帶領(lǐng)團(tuán)隊基于中國天眼觀測，獲得迄今最大快速射電暴樣本事件。

李菂：中國天眼正在顛覆我們原來對于快速射電暴的理解，告訴我們，我們生活在一個每一分每一秒都在產(chǎn)生神秘的劇烈無線電爆炸的宇宙當(dāng)中，揭示了快速射電暴完整的能譜，活躍性，這些是其他的設(shè)備所不可能達(dá)到的性能，有可能很快就能揭示這種神秘的天象的起源。

2021 年 10 月，我們在《自然》雜志發(fā)表的成果里，天眼記錄到了 1652 次快速射電暴爆發(fā)，用的是《千里江山圖》的意象，但是它都是真實(shí)的數(shù)據(jù)，所以這里每一個拐折，它就是一次真實(shí)的天眼記錄到的爆發(fā)。2007 年人類首次發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，到 2021 年的 14 年間，上千篇論文加在一起的信號量也不過千，中國天眼帶給我們關(guān)于這一類快速射電暴的神秘天象的全新信息。

目前天文學(xué)還不知道它是從什么樣的地方來的，物理學(xué)也無法解釋如何把這么高的能量濃縮到千分之幾秒里，對這種現(xiàn)象的刻畫和起源的揭示，應(yīng)該是要載入史冊的工作。

吳小莉：你雖然是一個理工男，但是你把它用文學(xué)的方法、藝術(shù)的方法，表現(xiàn)出我們對于深空的想象。當(dāng)時為什么會想到要用《千里江山圖》？我知道你們一共有春夏秋冬四張圖。

李菂：科學(xué)本身是沒有國界的，但每個人的表達(dá)，都無法脫離自己成長的文化環(huán)境和脈絡(luò)。《千里江山圖》的作者王希孟創(chuàng)作這幅畫時只有十七八歲，這個歲數(shù)契合了快速射電暴研究這個年輕的領(lǐng)域。宇宙是非常古老的，但我們這個新領(lǐng)域是非常年輕的，而且青綠山水又是中國傳統(tǒng)文化里最有辨識度的元素，所以就用這種風(fēng)格來表現(xiàn)天眼的真實(shí)觀測數(shù)據(jù)，和大家分享來自深空的發(fā)現(xiàn)。

中國天眼之路：從追趕到超越

吳小莉：你2008年決定回國參與中國天眼建設(shè)，到后來真正聽到天外來音，是什么感受？

李菂：這是非常興奮的，但在2016年9月25日天眼落成的那一刻，我就已經(jīng)沒有太大壓力了，因?yàn)樘煅劢ㄔO(shè)的成就，早已超出了最狂野、最美好的想象。

吳小莉：你當(dāng)初最狂野、最美好的想象是什么？

李菂：我們實(shí)際上一直處于學(xué)習(xí)和追趕的階段，我曾在美國阿雷西博望遠(yuǎn)鏡工作過并取得一些前沿成果，所以當(dāng)時的想象只是希望天眼能復(fù)現(xiàn)這些成果，在各個核心指標(biāo)上做得更好。但當(dāng)天眼真正建成時，我們已經(jīng)捕捉到一些特殊信號，看到了一個不一樣的、豐富多彩的宇宙。天文學(xué)很特別，不像建樓需要比別人大很多才能被記住，只要比別人好一點(diǎn)，就能看到各種奇奇怪怪的宇宙現(xiàn)象。

阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡

1963年建成

2020年12月坍塌退役

在無線電天文領(lǐng)域領(lǐng)先世界超半個世紀(jì)

吳小莉：阿雷西博望遠(yuǎn)鏡在2020年12月坍塌退役，剛好中國天眼2020年 1 月正式對外使用，看到阿雷西博坍塌，你是什么感受？

李菂：首先是震驚和悲傷。射電天文或者無線電天文這個行業(yè)很小，過去幾十年里，幾乎所有從業(yè)者的學(xué)術(shù)生涯，都和阿雷西博有過某種聯(lián)系。我自己的學(xué)術(shù)生涯就是從阿雷西博開始的，在那里的訓(xùn)練和經(jīng)歷，讓我得到了在中國天眼工作的機(jī)會。

李菂與阿雷西博望遠(yuǎn)鏡

中國天眼是阿雷西博的繼任者，更是超越者，我們想告訴同行或者我們的先驅(qū)一句話：我們要做下去，We will carry on。我希望未來國際射電天文的新一代學(xué)者、年輕學(xué)生，在回顧自己的學(xué)術(shù)生涯時，總有一段時間是和中國天眼緊密相關(guān)的。

宇宙的豐富多彩從來沒有

讓我們這些觀測者失望過

中國科學(xué)院國家天文臺正在穩(wěn)步推進(jìn)中國天眼二期工程規(guī)劃——

在FAST周邊30公里范圍內(nèi)建設(shè)數(shù)十臺40米中口徑天線，構(gòu)建全球唯一“以巨型望遠(yuǎn)鏡為核心、環(huán)繞中等口徑望遠(yuǎn)鏡”的綜合孔徑陣列。

李菂：南仁東老師最初的設(shè)想是建 10 到 20 個天眼這樣的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)人類下一代平方公里陣的概念，天眼其實(shí)是這個宏偉概念的第一步。現(xiàn)在中國天眼的二期工程還在推動中，如果沒能建成 10 到 20 個同級別天眼，我們可以匹配一些中小型望遠(yuǎn)鏡，依然能實(shí)質(zhì)性地提高天眼的觀測能力。

吳小莉：你提出的 “宇宙觸角” 構(gòu)想，具體是什么樣的？

李菂：“宇宙觸角”等于走到了中國天眼相反的極端。中國天眼的核心優(yōu)勢是口徑大，單位時間能接收更多的光，所以看得更遠(yuǎn)，但光有一個受衍射極限，就是說口徑越大，觀測的范圍就越窄。而 “宇宙觸角” 是把天線做得特別小，但數(shù)量特別多、排布特別密，它看的宇宙深度比天眼淺，但覆蓋的天區(qū)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天眼。

我們希望以中國天眼10%的成本，實(shí)現(xiàn)比中國天眼一瞬之間看到的方向大上萬倍的覆蓋范圍，還能以一秒鐘一千張照片的頻率，對動態(tài)宇宙進(jìn)行快速拍攝，天上但凡有一點(diǎn)風(fēng)吹草動，我們都能看到它。

它還有一個衍生能力，就是能精準(zhǔn)觀測天上移動的物體，比如衛(wèi)星，原來天上沒有多少衛(wèi)星，所以要跟一個衛(wèi)星，它動得比較快，你就要有一個天線去跟著它。而 “宇宙觸角”它是不動的，而是完全依靠計算，只要計算速度足夠快，假設(shè)有一個東西從這兒飛過去，就能算出物體的完整軌跡。

吳小莉：你說用現(xiàn)在天眼十分之一的價格就能完成的原因，是因?yàn)椴徽撌橇孔佑嬎慊蛘逜I的能力賦能，使得你們能做這個項(xiàng)目？

李菂：上世紀(jì)90年代，南仁東老師以中國天眼這種巨型天線作為平方公里陣的概念推動的時候，用相控的辦法去盡量覆蓋大的天空，就已經(jīng)提出來了，但當(dāng)時計算成本太高，根本無法實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在我們才剛剛進(jìn)入可以探索這個概念的階段，目前項(xiàng)目已經(jīng)有了樣機(jī)，希望今年能有新的發(fā)現(xiàn)。

吳小莉：你們會有什么期待嗎？你會覺得用這種方法可能會發(fā)現(xiàn)什么？

李菂：其實(shí)我心底里有相當(dāng)?shù)陌盐铡８鶕?jù)這么多年做各種各樣項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，它真正有意思的東西正是我們現(xiàn)在還不能夠想象的東西。實(shí)際上我們會看到大量爆發(fā)的現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象也許我們現(xiàn)在還沒有名字，因?yàn)槲覀兇蜷_了一個新的、廣域的探索空間。

美國早期有一個詩人朗費(fèi)羅，他寫過一首詩，意思大概是，習(xí)慣了在白天生活的人，他是看不見月亮的，因?yàn)樗砩蠌牟怀鲩T，所以當(dāng)他晚上出來的時候，想看的東西還是白天的那些東西。當(dāng)我們沒有探測能力時，永遠(yuǎn)無法完整預(yù)言會看到什么……

制作人：韓煙

編導(dǎo)：李晗

編輯：金芃