科学视点

“天空实验室”里的科学家怎么工作?

“中国天眼”身在洼地,但在科学家眼中,它心系深空,是一座“天空实验室”。科学家是依靠什么在天地间“连线”,又是如何驾驭这样庞大的射电望远镜服务于科学实验呢?

到现在为止,应该没有天文学家上过太空,但他们却是最了解宇宙的一群人,靠的是什么?

不少人小时候尝试过用曝光的胶片观看日食,还有动手能力更强的,用两个放大镜自制过光学望远镜。望远镜就是天文学家了解宇宙的必备工具。但射电望远镜不同于人们熟悉的光学望远镜,它不能直接成像,而是抓取目标的无线电信号,用数据说话。

天文学家如何利用“天眼”开展工作?有点类似移动靶射击运动,需要不断地选取目标、瞄准目标射击、分析结果。

据北京大学教授、科院国家天文台研究员李柯伽介绍,第一步要考虑望远镜频率是否合适、灵敏度是否足够、目标是不是在可视范围内,以便确定观测源的坐标,形成观测列表。

第二步是望远镜控制部门执行观测。如何精确控制“天眼”瞄准动辄光年之外的目标?简单地说,一是通过天体坐标计算出望远镜所需的“姿态”,二是驱动电机控制望远镜的“姿态”。

因为地球在不停自转和公转的缘故,这样的观测比移动靶射击复杂得多,要不断地修正望远镜的位置,不断地瞄准目标,并确保一直命中靶心。

第三步是通过编程来分析数据。外表安静的“天眼”,内心澎湃,每秒最高传输数据38G。海量的数据,基本没有手动分析的可能,所以天文学家都是“程序员”,用大数据手段实现天地“连线”。

如此繁琐的、针对宇宙深空的观测有什么意义呢?

这要从我们去中学物理实验室做实验说起。前辈科学家发现的物理定律,我们在物理实验室里做实验,结果都能验证定律为真。在“天空实验室”里呢?那可不一定。

天文学跟物理学密不可分,大尺度时空结构、宇宙演化、高能天体(如黑洞、脉冲星等)都是以广义相对论为重要理论基础的。前人依靠头脑做实验,得出了理论,理论研究走在前面,后人如何验证呢?这些天体质量惊人、距离以光年计,对应的物理参数和空间都是人类无法达到的,只能用“天空实验室”来验证。

在“天空实验室”里,天文学家除了重复繁琐的观测、验证,都保留一颗期待的心——比如找到某个能解释一些奇怪天文现象的关键,或是发现目前的理论无法解释的现象。真到了那一天,科学理论又会向前迈进一大步。


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