幸运的是，“慧眼”望远镜一次非常有趣的观测，打破了霍金对外星人的忧虑 | 张双南
因此它就不可能是外星人的信号。
张双南 · 中国科学院高能物理研究所研究员
“慧眼”卫星首席科学家
科学大咖讲科学 | 2021年 北京
大家好！我是张双南，工作于中国科学院高能物理研究所。今天我演讲的题目是：慧眼如炬，我们为何仰望星空。“慧眼”是我所工作的团队研制的空间天文卫星，我们可以用它来探索宇宙。今天，我来和大家分享“慧眼”探索之路上的一些故事。
首先，我们来看看万有引力和引力波的关系。地球为什么会绕着太阳转呢？根据牛顿万有引力定律，是因为地球和太阳之间拉着一根名为万有引力的“绳子”。
但如果是这样，我在台上一挥手，台下的听众和我的手之间的距离就会发生变化，听众感受到的我的手的引力也会立刻发生变化。既然如此，那我在挥手时，我的手和宇宙当中所有天体之间的距离也都会发生改变，宇宙中所有天体都应该会立刻和我说：张老师好！是这样吗？
爱因斯坦老师觉得这个很不合理。爱老师说：张老师再厉害，也不会比我厉害。我老爱挥一下手，宇宙中的天体都不会立刻回应。
为什么会有这样的矛盾存在呢？爱因斯坦思考了这个问题，而后他认为，地球和太阳之间的那根绳子是不存在的，并不真的存在那样的一个引力。
爱因斯坦认为，由于太阳的质量很大，导致它周围的空间都被扭曲了，地球在这个扭曲的空间里运动时就会不由自主地拐弯，所以地球和其他的行星才会绕着太阳转圈。
▲ 引力波是弯曲时空中的涟漪，
和声音的传播很类似，只能“听”！
那么，如果有两个天体周围的空间都扭曲了，当它们绕圈时，这个扭曲的空间就会向外传递，这就是引力波。1915年，爱因斯坦提出了广义相对论理论；1916年，他就预言了引力波的存在。但同时他也断定：尽管引力波存在，人类却永远不可能探测到引力波。
为什么呢？因为扭曲空间的引力波从遥远的地方传递到地球时，这个空间的涟漪就已经变得非常小了。爱因斯坦先生想象不了人类能够用技术探测到这样小的空间的涟漪。然而，科学家最喜欢做的一件事，就是挑战权威。
科学家们挑战爱因斯坦的方法非常独特：用爱因斯坦的矛，攻击爱因斯坦的盾。爱因斯坦的矛，就是他提出来的激光理论。科学家团队花了几十年的时间，也花了美国国家科学基金会历史上最多的一笔钱，建造了激光干涉引力波天文台。
他们在沙漠里放了两个真空管道。这两根管道是垂直的，长度为4公里，引力波到达这个地方时，根据广义相对论理论，空间的扭曲就体现为真空管道长度的变化。激光在真空管道里来回反射几百次后，就有可能测量到管道长度的变化，也就可能测量到引力波。
道理不难，那为什么花了几十年的时间和那么多的金钱，再加上一整个科学家团队，才能最终做到呢？因为这需要的精度是非常高的，这也是爱因斯坦当年认为人类不可能探测到引力波的原因。空间振荡的变化尺度实在是太小了，小到了什么程度呢？10-18米。
▲ “听”到引力波的激光干涉引力波天文台（LIGO）
比头发丝小1万倍的，就是氢原子。氢原子里再缩小10万倍，就是正中心的氢原子核。而氢原子核的千分之一，就是10-18米。4公里长的真空管道，其长度的变化只有质子的千分之一那么大。如果想把这个极微小的变化很精确地测量出来，真的是很不容易的。因此，这个团队就建造出了地球上最精密的测量仪器——LIGO。
2015年，他们在探测器里测量到了这样的信号。经过几个月的数据分析，在2016年2月11日，爱因斯坦100年前预言的引力波终于被人类“听”到了。
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但在这里，我说的是“听”，而不是“看”。其中的原因，大家可以从下方的视频中找到。
视频中的两个黑点就是两个黑洞。它们相互绕转，使得空间的扭曲向外传递，就像朝水面扔了石头后，水面的波纹向外传递一样。不过，它所产生的引力波只能听，不能看。这就好像我在台上发表演讲，大家听到我的声音，是因为我讲话使得空气分子发生振动，这个振动最终传给了听众的耳膜，使得大家听到了声音。
经过13亿年的时间，引力波终于传递到了地球，使得地球发生了一点微小的扭曲。当然，视频中的演示是高度夸张了的，否则的话就会引起海啸、地震。
2017年，LIGO项目团队获得了诺贝尔物理学奖。截至2017年8月14日，这样两个黑洞相撞、并合所产生的引力波的优美声音，激光干涉引力波天文台已经“听”到了五次，但我们天文学家并没有“看”到引力波源的倩影。
“听”到信号时，引力波传递的方向就被确定了。各种各样的天文台，包括“慧眼”天文卫星，都会朝那个方向探测，希望能够看到那个方向所发出的光，想了解那里究竟发生了什么。然而，我们都没有看到。似乎在这时候，天文学家都是非聋即瞎的。
为什么这样说呢？因为在LIGO项目团队“听”到引力波之前，天文学家们只能看到宇宙。我们可以得到很多宇宙的漂亮照片，但从来没有收到过宇宙的声音——在那时，天文学家们是聋子。终于，引力波被“听”到了，然而当我们用望远镜看向那些方向时，我们却只看到了一片虚无。面对发得出声音的宇宙，天文学家们又好像变成了瞎子。
▲ 人类第一次“听”到和“看”到
一次宇宙深处的剧烈爆发现象
2017年10月16日，这种情况终于改变了。那天出现了一个全球大新闻：我们终于“看”到了（引力波）。我们的“慧眼”卫星也同时发布了这项科学新闻！有记者采访我时问：张老师，这不就是你们又看到了一个天体吗？为什么全世界的天文学家都这么激动呢？我回答，因为人类终于“耳聪目明”了。人类不但听到了天体结合发出的引力波的美妙歌声，也看到了它们“相爱”所迸发出的美丽烟花。
那一天，全球的天文学家共同宣布，人类第一次“听”到和“看”到了宇宙深处的剧烈爆发现象：两个中子星相互绕转、撞在一起，它们的结合最终迸发出了电闪雷鸣。
雷鸣是引力波信号，电闪是电磁波信号，也就是光。我们平时是先看到电闪、再听到雷鸣的，因为声音的传播速度更慢。但是，引力波的传播速度和光一样，所以雷鸣和电闪是同时到达地球的。
▲ 创记录的全球空间和地面望远镜大联测
这一次，全球的天文学家联合做出了新闻发布，因为这是一次创纪录的全球空间和地面的望远镜大联测。如上图所示，这个声音是由美国和欧洲的三组引力波探测器共同听到的，地面的各种光学、射电望远镜等也都加入了观测，其中很多也看到了信号。
不幸的是，这个方向是比较靠近南天的，中国本土的望远镜没有办法观测它。不过，中国科学家有一台在南极的望远镜，在当时看到了那个信号。而且，人类还有七台空间望远镜参与了此次观测，其中的一台就是中国的“慧眼”天文卫星。因此，那天我们也发布了自己的观测结果，没有错过这一场巨大的盛宴。
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“慧眼”卫星的全名叫做硬X射线调制望远镜HXMT，我来简要地介绍一下它的历史。
为了用X射线探索宇宙，在上世纪七八十年代，中科院高能物理研究所的科学家们进行了高空科学气球的研究。那时，虽然中国已经能够发射卫星了，但还没有能力研制空间天文望远镜。我们只能发展高空科学气球，在气球上搭载天文望远镜来进行观测。
在研制过程中，团队就提出了研制硬X射线调制望远镜卫星的建议，也就是今天的“慧眼”卫星。但那时，我国的技术和经济实力并不足以实现这个计划。一直到很久以后，我们才终于实现了它。
▲ 李惕碚院士，HXMT提出者
1984至1986年，我在中科院高能物理研究所读研，李惕碚院士是我当时的导师，而这个建议就是他和他的合作者一起提出的。2011年，国家终于正式立项，开始了HXMT的研制。
我在高能物理研究所读研时有两位导师，另一位导师就是我国著名的物理学家何泽慧院士。很不幸的是，就在立项的那一年，何先生去世了。那么多年里，她一直在为我们团队发展卫星提供强有力的支持，很遗憾，最后却没有机会看到我们研制、发射、运行了真正研制出的卫星。
所以，在卫星发射之前，经过国家有关部门的批准，我们把这颗天文卫星命名为“慧眼”号。其中的“慧”字就取自何泽慧先生的名字，它预示着何泽慧院士的眼睛会继续带领我们，在太空中探索宇宙。
2017年6月15日，“慧眼”卫星在我国酒泉卫星发射中心成功发射。直到今天，它已经运行了超过4年的时间，取得了诸多科学成果。其中，第一个科学成果就是我刚才讲到的参与“雷鸣电闪”的观测。
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“慧眼”卫星是X射线天文卫星，那么X射线是什么呢？
▲ X射线是电磁波的一部分
其实，它就是光或者说电磁波的一部分。平时的可见光是波长较长的电磁波；而无线电波是波长更长的电磁波；X射线则是波长较短的电磁波。X射线的穿透能力比较强，中子星和黑洞都会产生大量的X射线，所以我们需要用X射线望远镜进行观测。
▲ 研究X射线为什么要上天？
然而，如果要用X射线望远镜来观测宇宙，我们就必须上天。地球的大气层能够保护人类，但同时，大气层只对可见光信号和无线电信号透明：人类能够用肉眼观测宇宙，是因为大气对可见光透明；除了光学望远镜，最先发展起来的是无线电或射电望远镜，这也是因为地球的大气层对无线电和射电信号透明。
但是，对于红外线、紫外线、X射线、伽马射线，大气都是不透明的。为了研究这些不同波长、频段、能量的宇宙，我们就需要上天，也就是发射天文卫星、建造空间站，甚至到离地球非常远的地方去探索。
▲ “观”者有份：中国的慧眼天文卫星座次靠前！
“慧眼”卫星参与了这次历史性的事件，我们的成果也被写入了这篇非常奇特的论文里面。我们平时见到的论文，题目下面的是作者，再下面是单位。但这篇论文的题目下面，既没有作者的名字，也没有单位的名字——取而代之的是七十多个合作团队的名字。
“慧眼”卫星的英文是Insight-HXMT（Hard X-ray Modulation Telescope），是这七十多个合作团队中的一员，而且“慧眼”的名字还是排得比较靠前的。一共有约一千个单位、三千多个作者参与了这篇论文，其中一百一十多个作者都隶属李惕碚院士领衔的“慧眼”团队。
▲ 慧眼卫星直接测量到宇宙最强磁场
“慧眼”卫星发射之后，我们也很快取得了很多其他的科学成果。今年四月，总书记在两院大会上总结我国近年来的科技创新成就时，谈到了一个基础研究的成果：“慧眼”号直接测量到了宇宙最强磁场。
▲ 最高能量回旋吸收线=宇宙最强磁场直接测量
“慧眼”卫星所观测到的是X射线能谱，也就是光谱。我们测量了不同频率或波长也就是不同能量的地方有多少个光子到达了望远镜。在90个千电子伏的非常高能的X射线的地方，曲线上出现了一个坑。它就是由中子星表面非常强的磁场中的电子对X射线进行吸收，进而产生出来的。
由此我们测量到了中子星的磁场，是8亿特斯拉。8亿特斯拉有多强呢？在地球最先进的实验室里，使用超导技术能制造出来的最强磁场也不过几个特斯拉。而中子星的磁场是8亿特斯拉，这也是目前直接测量到的宇宙最强的磁场。利用这样的磁场，我们可以研究很多非常重要的物理现象。
▲ “慧眼”发现离黑洞最近的相对论喷流
另外还有个有趣的成果：“慧眼”卫星发现了离黑洞最近的相对论喷流。
▲ 黑洞自转的空间拖曳效应让相对论喷流跳舞
具体是什么呢？请大家观看上方这个视频。中间的就是黑洞，它周围的气体组成了一个盘，这个盘上面会产生强烈的X射线。“慧眼”卫星发现，除此之外，黑洞附近还能够发出接近光束的、相对论速度的高速等离子体，并在其中产生强烈的、低高能均有的X射线。然后，黑洞的转动又开始带着这样的相对论喷流跳舞，于是就产生了我们观测到的非常有趣的信号。
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人类已经步入到了太空时代。现在，人类能够探索月球、火星、甚至太阳系内很多其他的天体。我们在地球附近时，可以用北斗卫星系统来导航；但一旦远离地球，甚至未来离开太阳系时，就像电影《流浪地球》里所说的，我们就会面临着星际迷航的问题：谁能判断出我们处于宇宙中的什么地方？谁来指引前进的方向？这是非常重要的，也是还没有解决的一个问题。
科学家发现，脉冲星，也就是磁场很强的一种中子星，它们可以转动得非常快且非常稳。为什么稳呢？因为中子星是宇宙中密度最高的天体。高到什么程度呢？原子核是原子内缩小1万倍的位于中心的物质，整个原子的重量全部集中在了原子核里，所以原子核是宇宙中密度最高的物质。而中子星就相当于一个大的原子核，密度很高，转起来非常稳。
这就好像没有人会用棉花来做陀螺，大家会使用密度很高的材质，所以我们可以想像中子星转动得有多么稳。加之，中子星转动时会产生脉冲信号，那么这个信号到达地球的时间也会是非常规律的。
在宇宙中，如果能够精确地测量脉冲信号到达我们的时间以及其他信号的变化，那么就能计算出我们相对中子星的位置与我们运动的速度。银河系里存在着几千个中子星，其中很多都能够为我们所用。所以将来开展星际旅行时，我们可以用脉冲星来替代地球的北斗导航系统，让我们在宇宙中不至于迷航。
那么，如何探测脉冲星呢？在地球上，我们可以使用射电望远镜，如“天眼”望远镜（FAST）。但是，带着“天眼”望远镜到太空中旅行似乎不太现实；我们需要携带的是X射线望远镜，因为它的体积较小，且测量精度较高。
▲ “慧眼”实现了高精度脉冲星导航在轨验证
脉冲星导航究竟能否实现呢？“慧眼”卫星对脉冲星进行观测后，发现这的确可以做到。它的测量精度虽然比“北斗”的差很多，但可以把轨道位置误差确定在几公里的范围。对星际旅行而言，这足够让我们判断出自己相对下一个旅行目标的位置和方向了。
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“慧眼”卫星的另一个重大成果，是观测到了疑似外星人的快速射电暴老家。我们如果在网上搜索“快速射电暴”，会有约350万个结果。在搜索引擎里，能够超过它的科学名词可不太多。如果在“快速射电暴”后面加上“外星人”，仍然有约56万个结果。如果在“快速射电暴”后面加上“文明”，还会有约98万个结果。
▲ 快速射电暴和外星人有啥关系？
所以，快速射电暴好像与外星人和地外文明有一定的关系。那它到底是什么呢？我们首先来看上方图片的射电天线，这是一个很奇怪的射电望远镜，射电望远镜有各种稀奇古怪的形状，“天眼”望远镜是比较常见的锅型，除此之外还有各种其他的形状。在这个天线上面，我们能够探测并测量到持续时间为毫秒级的射电脉冲。
可以看到，在宇宙的不同方向都会有快速射电暴产生，而且它到达的时间并不确定。如果我们仔细观测，还会发现有些方向上的信号是重复的或有周期性的。那么，这些天体到底是什么呢？如哈勃望远镜等光学望远镜，还有如“慧眼”望远镜的X射线望远镜等，都指向了这些方向，但结果什么也没找到。
有些脑洞大的学者猜测，这些会不会是外星人的活动呢？其中甚至有很知名的重量级天文学家，比如哈佛大学天文系前主任Abraham Loeb教授，他写了文章来论证这些信号很有可能是外星人的活动。霍金先生在世时，也有人向他汇报过这个情况。霍金先生说，千万不要回答这些信号，否则不知道会有什么样的后果。
那么，它们到底是什么呢？2020年，我们对这类现象终于有了一个确定的回答：快速射电暴来自于一个已知的天体——磁场很强的中子星，即磁星。加州理工学院也参与了快速射电暴的观测，在他们的新闻发布中就有明确地提到：中国的“慧眼”卫星为这项成果做出了重要的贡献。这一发现也入选了《自然》和《科学》杂志分别推举了当年十大科学突破。
上方图中，左侧是加拿大的射电望远镜发现的两个非常短的射电信号，也就是以前已经在很多方向探测到了的快速射电暴。很幸运的是，在那一天，“慧眼”望远镜恰好在观测一个非常有趣的中子星。
“慧眼”卫星其实是一个空间天文台，会响应天文学家的各种要求，去观测各种各样的天体。那天早晨，我以前的学生、也是这次成果论文作者之一的林琳，向我提出一个请求，希望“慧眼”卫星去观测这颗中子星，因为它在这之前的一两天比较奇怪。我同意了这个申请，让“慧眼”卫星指向了这颗中子星。
10小时后，在加拿大的射电望远镜发现快速射电暴的同时，“慧眼”卫星的望远镜里出现了一个非常强烈的、甚至可以亮瞎眼的X射线爆发，它让“慧眼”卫星所有的探测器都被饱和了。我们团队花了很大的工夫，把数据重建、恢复了出来。我们发现，在X射线爆发达到峰值时，图中数据上出现了两个尖尖的峰，它们恰好对应了那次出现快速射电暴的时刻。
▲ 慧眼确定了爆发来自于中子星
虽然“慧眼”指向了那颗中子星，但我们的视场是比较大的，观测范围里也可能会有别的天体，因此我们需要对这个信号进行定位。而后我们发现，确定下来的爆发位置就是那颗中子星，快速射电暴信号与X射电信号在时间结构上也完全相同，可以确定是同一次爆发。
▲ 快速射电暴来自于中子星/磁星
所以，我们确定了这次快速射电暴来自于这颗中子星。因此，快速射电暴就不可能是外星人的信号了。有些脑洞大的朋友就和我争论：为什么外星人不会住在中子星上呢？首先，中子星的密度非常大，所以它表面的引力就非常强。强到什么程度呢？中子星表面的原子都被吸成了扁的，趴在了中子星上。
而且，中子星表面的温度还很高，有上千万度甚至更高。在如此高温的状态下，原子是无法独善其身的，它里面的电子会跑掉，只剩下原子核和一些游离的电子，学名叫等离子体。再加上它的磁场也非常强，还会把原子内的电子和原子核拉开，不让它们回到一起。所以，这个信号不可能是外星人的信号。
我们在做新闻发布时，有些记者询问，其他的快速射电暴信号有没有可能来自于外星人呢？现在看来是不太可能的，因为其他的快速射电暴信号从各种特征上看，和这次是没有什么区别的。所以，我们在这个地方把外星人的可能性排除了。
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最近，上海交通大学和《科学》杂志联合发布了125个科学问题。我按照发布的学科和领域把它们进行了分类，而后我欣喜若狂，因为其中天文学的问题是最多的。这个最多并不意味着天文学家笨，解决不了问题，而是恰恰反映了天文学家通过研究，不断提出来新的问题，让天文学变成了今天最活跃的学科。
▲ 上海交大+《科学》：125个科学问题
天文学本来是最古老的学科。很多孩子在考虑自己的职业时，或许是蛮喜欢天文的，但父母可能会说，这已经是过时的学科了，学天文的只会披着军大衣在山上值班，但其实完全不是这样的。天文学在今天仍然是生机勃勃的学科，存在着诸多重大的问题亟待解决。而且，天文学的研究成果在2017、2019和2020年都获得了诺贝尔物理学奖，这表明天文学的研究成果变得越来越重要了。
很多人问过我，引力波、黑洞、中子星、暗物质、暗能量，这些都是天文学最近的重大发现，很多也获得了诺贝尔奖，但它们有什么用呢？研究那么远的天体，能解决我们的吃喝和健康问题吗？为什么我们要仰望星空呢？
▲ 杞国有人忧天地崩坠，身亡所寄，废寝食者
历史上有一个故事叫杞人忧天，讲的是一位老兄，他担心天上的星星掉下来，又害怕大地突然会塌下去。他的朋友过来开导他，说天上的星星待得好好的，也没怎么掉下来过；大地也很结实，我们天天在这里行走也没有塌陷。这位老兄一听就豁然开朗了，从此，中国人仰望星空就成了“杞人忧天”。杞人忧天在今天已经成为了负面的成语，描述的是不切实际的事。
▲ 西方人仰望天空、刨根问底，带来了现代科学
然而，西方人也同中国人一样，自古就开始仰望星空了。亚里士多德好奇天上的星星为什么不掉下来，于是提出了地心说；而后，托勒密发现地心说不够精确，就提出了本轮说；再往后，哥白尼提出了日心说；开普勒又发现日心说里的圆轨道和真正的天体运行不同，就提出了开普勒三定律。
之后，伽利略发明了天文望远镜，精确地观察了天体的运行，印证了日心说与开普勒定律；最终，牛顿提出了力学三定律和万有引力定律，终于对天体为什么不会掉落、怎样彼此绕转等问题给出了答案。所以，西方人仰望天空、刨根问底，给人类带来了现代科学。
▲ 《极简天文课》（张双南，2021）
我最近写了一本书，叫做《极简天文课》，在这本书的第三章“天文学与科学方法”中，有一个主题是比较古代文明和现代文明、现代文化之间的关系。对中国人来讲，我们的文字变化不大，唐诗宋词等很多古代文化也都有保留，似乎我们的文化并没有变。
然而，我们今天传达文化的方式变了，我们旅行的方式也变了，我们语言所描述的东西也都变了。如果比较古代文明和现代的主要区别，我认为就是科技发展所带来的生产力的变化，以及我们认识宇宙的变化。因此，现代文化中的现代两字，主要就是科技文化。
今天，我们要坚持道路自信、理论自信、制度自信，最根本的还有文化自信。文化包括了自然、科学和技术，所以文化自信也包含了科学自信和技术自信。科学自信是基础，技术自信是表现，因此，最根本的文化自信需要科学自信。而我国近年来取得的一系列科技创新成就，包括天眼、慧眼、墨子号、悟空号、嫦娥、祝融、火星探测等等，这些都是我们中国的文化自信，都是我们中国人对世界文明所做出的贡献。
谢谢大家！
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