一台新的望远镜正在对夜空进行有史以来最快速、最频繁的“人口普查”,纷至沓来的新发现让天文学家们目不暇接。

长期以来,我们一直视宇宙为宁静的地方。在诗人和哲学家眼里,与来去匆匆的人间事物相比,星星是最接近永恒的东西。

但是,望远镜帮助我们打破了这种幻觉。现在我们知道,天空在发生很多变化。有爆发的超新星,有快速旋转的脉冲星,有正在吞噬气体云的黑洞,有移动的星群……但是,要观察到这些变化,很多时候我们得借助望远镜巡天才能知道。巡天,就是用望远镜反复扫描天空,然后比较前后的差异。

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传统上,用望远镜扫描整个天空,即所谓的全天空调查,需要几个月或几年才能完成。譬如,1970年代建于澳大利亚的施密特望远镜,扫描南半球天空,一次需要13年。1990年,ROSAT航天器为寻找X射线源扫描整个天空,一次花了6个月。

建于智利,于2023年7月投入使用的维拉·鲁宾望远镜刷新了这项纪录。它只需要用3个晚上即可扫描整个南半球天空,因此一年中它能扫描南部天空110遍。它还利用最先进的人工智能去识别肉眼细微莫辨的变化。有了它,我们将看到比以往更多的细节。总而言之,这代表着一个被称为“时域天文学”时代的到来,该学科旨在了解天体如何随时间变化。

鲁宾望远镜能为我们做什么?

维拉·鲁宾望远镜以发现暗物质的美国女天文学家维拉·鲁宾的名字命名。这是一架光学望远镜,也就是说,它工作于可见光波段,以它的光收集能力和巡天速度,它将能探测到天体亮度和位置的轻微变化。鲁宾望远镜大概能观测到200亿颗恒星,占银河系中天体总数的10%。如此大规模的观测,意味着,以前被认为罕见的天体事件,现在都变得稀松平常。目前在天文学家心目中至少有两个这样的罕见天体事件。

第一个是快速蓝光瞬变。这是一种快速的蓝光脉冲。到目前为止,天文学家只看到5个。它们可能是超新星,但被密集的尘埃和气体云所包围,因此改变了所发出的光的颜色。用鲁宾望远镜找到更多的快速蓝光瞬变,将使天文学家更好地确定它们的真实身份。

第二个是千新星。千新星是指一类暂时出现的天文事件,主要发生于双致密天体(如双中子星,中子星与黑洞)合并过程中。由于它的亮度可达到经典超新星的1000倍而得名。一颗普通的超新星爆发可持续一年左右,而千新星的亮度变化非常快,只持续数周,甚至几天。同样,天文学家只知道少数几颗千新星,而且都是偶然探测到的。它们被认为是两颗中子星碰撞,或者是一颗中子星与一个黑洞的碰撞。天文学家估计,千新星在宇宙中应该是比较常见的,只是由于它们消逝得太快,难以探测而已。

凭借其每隔三天的半天空扫描,鲁宾望远镜很适合探测它们。这特别令人激动,因为2017年探测到的引力波,同时伴随着发光,是激光干涉仪引力波天文台(LIGO)探测到的首个不是由两黑洞合并产生的引力波事件,被认为是由两颗中子星碰撞,也就是千新星。这意味着,未来可以把LIGO和鲁宾望远镜配合起来探测千新星。

当然,并非所有鲁宾望远镜发现的变化都如此突然或巨大。许多天体的变化可能是非常缓慢的。但鲁宾望远镜将工作几十年,这些天体将会被扫描数千遍,随着时间的积累,哪怕非常缓慢的变化也可能被揭示出来。从长远来看,鲁宾望远镜收集的数据,对于发现新的天体或事件,将是一个“富矿”。

  鲁宾望远镜如何处理海量数据?

但问题是,鲁宾望远镜将产生海量的数据(估计每年产生的数据达到600万GB),如何从中识别天体的变化呢?

值得庆幸的是,天文学家不需要亲自去做。他们可以开发机器学习和人工智能程序来完成这项繁重的工作。

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当鲁宾望远镜扫描夜空,拍摄一张又一张的图片时,由人工智能驱动的系统将会自动寻找图片中的任何变化。一旦发现了一个变化,就创建一个自动警报,然后发送到世界各地的天文学家和天文台。在这些地方工作的科学家有不同的研究领域,有的可能在寻找小行星,有的可能在寻找超新星,有的可能在研究活动星系核……他们可以根据自己的兴趣,向维拉·鲁宾天文台索要更详细的数据,然后自己开发算法,从数据中提取尽可能多的信息。可以预见的是,未来遍布全世界的很多天文学家将围绕鲁宾望远镜,组建团队,开展研究。

如此强大的望远镜,无疑将会为我们揭示出大量未曾预料到的现象。然后,为了了解这些新现象,天文学家可能需要利用其它设施,进行额外的观测。维拉·鲁宾望远镜和韦伯太空望远镜一起,预示着一个天文学大发展的时代已经到来。

  鲁宾望远镜会带给我们什么惊喜?

对于鲁宾望远镜可能揭示的新现象,天文学家心目中也已经有了两个。

一个是宇宙弦存在的可能证据。什么是宇宙弦呢?众所周知,我们的宇宙中目前存在四种基本作用力:引力、电磁力、强核力和弱核力。它们的强弱、作用范围以及作用的物质属性都各不相同(如引力作用于物质的质量,电磁力作用于物质的电荷)。但据大统一理论预言,在宇宙极早期,这些作用力是不分彼此的;它们是在经历了一场类似水结成冰的宇宙相变之后才分开的。天文学家推测,宇宙弦就产生于这场相变中,是相变在空间结构中留下的折痕,类似水结冰时在冰块上出现的裂缝,在那里,宇宙物质特别集中。天文学家认为,找到并研究宇宙弦,可以从中了解极早期宇宙的状况。今天,宇宙弦的行为应该像引力透镜,可以把遥远星系的光线汇聚到一起。如果宇宙弦存在,也许会被鲁宾望远镜发现。

另一个可能被鲁宾望远镜发现的是外星人存在的证据,或者更确切地说,是外星人建造的太空巨型设施存在的证据。这个想法很简单:当外星文明发展到一定程度,为了满足能源的需要,他们可能会围绕其母恒星建造巨型设施,用来捕捉更多的恒星光,并将其转化为电能。

1960年,美国物理学家弗里曼·戴森证明,这样的结构应该将其废热作为红外线辐射出去,以保持自身的热平衡。而后来的天文学家又进一步证明,这种结构在辐射输出方面不是精确稳定的,而是围绕其平衡状态会有微小的振荡。这意味着它可能产生一个随时间变化的可探测信号。根据计算,振荡周期可能从几分钟到几个世纪不等,并且可以使其母恒星看起来像某种以前未知的变星。这种变化一般的望远镜是很难发现的,但可能会被鲁宾望远镜观测到。