FAST首次探测到中性氢

李强 李明月

说到天文，我们不禁会想到位于我国贵州省的目前世界上口径最大的单天线射电望远镜（FAST）。国家花了那么多钱造了一口“锅”，它能做些什么呢？之所以花费巨资建造FAST，是因为需要它完成相应的科学目标。FAST的科学目标中包含了脉冲星的搜寻与中性氢的观测。很多人可能对脉冲星稍有所了解，但是提到中性氢就不知所以了。

 中性氢谱线是什么

对于历史悠久的天文学而言，射电天文使用的是一种崭新的手段，为天文学开拓了新的园地。20世纪60年代，射电天文学有四大发现：类星体、宇宙微波背景辐射、脉冲星和分子谱线。分子谱线是分子不同能级之间跃迁产生的，而中性氢谱线是由氢原子能级之间的跃迁产生的，它们都属于谱线。

天文学中提到的探测到中性氢，指的就是观测到氢原子的谱线，也即“中性氢谱线”。它实际上是基态氢原子的电子自旋和核自旋耦合产生的能级分裂对应的谱线，是基态能级更精细的结构之间的跃迁。这个跃迁所产生的波长是21厘米，因此有时候人们也称其为“射电21厘米谱线”。

21厘米谱线的发现还有一段小插曲：其他的谱线都是先在实验室中观测到的，而21厘米谱线却是理论预言的。因为当时物理学家在射电波段只看到了连续谱，却没有发现谱线的存在。荷兰天文学家亨德里克·范德胡斯特的导师给他提出了一个难题：能不能从理论上在射电波段找到一个谱线？之后，亨德里克·范德胡斯特还真的去寻找当时没有考虑到的效应，同时，他还想到了在氢原子核中质子和电子之间的相互作用能够引发21厘米谱线。对于他所做的这个理论预言，大家都很兴奋，他所在的课题组也开始在实验中寻找这个谱线。当然，在实验室中是看不到21厘米谱线的，因为这个跃迁的可能性是非常小的，在没有外界干扰的情况下，大约1千万年才会发生一次辐射。那他们该怎么办呢？没关系，地面上看不到，可以去天上看。为此，亨德里克·范德胡斯特首先提出可以在银河系中观测星际氢原子的这条21厘米谱线。宇宙中最丰富的就是氢原子（宇宙中氢元素的比例为70%），即使很小的一片区域也包含了数量足够巨大的氢原子。因此，尽管单个的氢原子跃迁概率极低，但丰富的数量仍然使人们能够接收到可观的辐射信号。遗憾的是，可能由于当时的技术还不够好，或是其他的一些什么原因，最终他们无功而返，以致后来不了了之。但是经过几年的努力，在1951年，美国、荷兰、澳大利亚的天文学家几乎同时观测到了这一重要的谱线。

射电21 厘米谱线的产生

中性氢谱线的重要性

那么，中性氢的21厘米谱线为什么如此重要呢？又有哪些特殊之处值得列入FAST最重要的科学目标之一？

在FAST之前，阿雷西博射电望远镜对中性氢进行了观测，并找到了数万个中性氢星系。而绿岸射电天文望远镜（GBT）则对星系间的中性氢进行了观测。此外，埃菲尔斯伯格射电望远镜和帕克斯射电望远镜共同完成了迄今最精确的全天中性氢观测。国外这些大型望远镜相继都做了中性氢的观测，从这个方面也足以体现其重要性。当然，主要原因是由于中性氢研究是天体物理研究中的一个重要基础。

纵观望远镜的发展史，不难发现，射电望远镜的口径越来越大。那么，人们为什么要把射电望远镜的口径做得大一些，更大一些呢？这是因为望远镜的口径越大，分辨率就越高，也就能看得更细致或者更远。作为目前全世界最大口径的单天线望远镜，往近处说，FAST能对银河系内的中性氢进行更细致的观测，发现星际介质中更多的细节，特别是银河系旋臂的结构。对于遥远的星系，当然也更有希望分辨出来。

宇宙中有数以亿计的星系，人们朝向天空中某一方向观测的时候，在观测的方向上，如此多的星系总有那么几个会重叠在一起。那么，人们又是怎样把某个方向上观测到的重叠在一起的星系区分开的？如何确定接收到的信号是单个星系的，而不是这个方向上不同距离多个星系信号的混杂？这里，我们就不得不提到多普勒效应。多普勒效应说明：观测者接收到的信号源发出的信号波长，随信号源和观测者的相对运动而产生变化。也就是说，如果信号源朝着远离我们的方向运动，那么我们接收到的信号比信号源静止时发出的波长更长或者频率更低（这种现象称为“红移”）。反之，如果信号源朝向我们运动，那么我们接收到的信号比信号源静止时发出的波长更短或者频率更高（这种现象称为“蓝移”）。

幸运的是，我们的宇宙处于不断膨胀的过程中，膨胀的宇宙使得距离我们越远的星系，远离我们的速度就越快，当然它所发出的信号红移也就越大。同时，红移也反映了时间的概念。我们接收的天体的信息主要是电磁波信号，然而电磁波的速度有限（光速），有限的速度传播一定的距离就需要时间。相应的，距离我们越远的星系发出的信号传播到地球所需要的时间也就越长。也就是说，我们当前接收到的信号如果来自越远的星系，那么这个信号的发出时间就越早。总而言之，就是红移越大的信号源离我们越远，并且我们接收到的红移大的信号是更早时期发出的。利用这个现象，人们就可以采取用空间换取时间的方法，来了解更早时期的天体的形成与演化。

相比之前的中性氢观测，FAST的高分辨率和较宽的带宽可以找到更多、更远的中性氢星系，使我们了解质量更小的中性氢星系的性质。

暗物質的奥秘

在天文学研究领域，最前沿的莫过于“两暗一黑三起源”。其中的“两暗”是指人们熟知而又神秘的暗物质与暗能量。暗物质之所以被称作“暗物质”，是因为以目前人们的观测手段不能直接观测到，但是它确确实实是存在的，并且可以证明它的存在。

我们的太阳系位于银河系中，而银河系是一个漩涡星系。当然，宇宙中也存在许多与银河系结构类似的漩涡星系。漩涡星系主要的一个特征就是有一个明显的扁盘状结构，处于盘状结构中的天体围绕盘的中心做圆轨道运动。我们的太阳系围绕银心同样在做圆轨道运动。圆轨道运动满足开普勒运动的轨道速度分布，也就是距离圆心越远，速度应该越慢。我们的太阳系中的行星围绕太阳就是做圆轨道运动，并且距离太阳越远的行星速度越慢，这很好地符合了轨道速度分布原理。然而，研究者通过天文观测却发现：在较远离银心的位置，天体围绕银心转动的速度与天体到银心的距离无关，也就是速度基本不变。这样观测与理论就不相符了，那么问题出现在哪儿呢？

在整个计算中，理论是没有问题的，是经过几百年实践检验过的。那问题只能出现在“观测”中。根据观测，人们发现发光的物质主要集中在银河系中心，也就是人们看到银河系的质量主要集中在银心（这与太阳系的质量主要集中在太阳相类似）。理论与观测的矛盾说明，银河系的质量并不是如观测到的那样主要集中在银心。换言之，就是我们目前在银河系中看到的发光的物质（这里的发光物质代表电磁波所有波段观测到的物质，不仅仅是光学可见的），不是银河系的全部物质，一定存在我们尚未观测到的物质。这些物质分布在一个比星系可见部分更大的范围，人们把这种看不见的物质称为“暗物质”。反观这种轨道速度分布也直接证明了暗物质的存在。

星系旋轉曲线图

发光物质与暗物质不同的分布，是暗物质粒子与人们所认识的常规粒子之间性质的差异所造成的。中性氢是在星系中分布最延展的重子物质结构，通过中性氢观测测定星系旋转曲线，人们可以间接探测暗物质的分布。不同的暗物质模型预言的暗物质分布不同。FAST更大的口径能测定更多、更好的近邻星系旋转曲线，为人们提供更多的样本和质量更好的数据。对星系中暗物质分布的精确测量，使得人们对暗物质模型给出更好的限制，从而能对暗物质有更多的认识。

FAST建成调试并开始运行后，其超凡的灵敏度正在宇宙射电探测中发挥重要作用。2020年6月，在FAST公开发表的观测结果中，首次明确探测到银河系外的星系（河外星系）的中性氢发射线。在此次观测过程中，FAST仅用5分钟曝光时间就探测到河外星系的中性氢信号，向人们展示出其高灵敏度、高效率的探测能力。作为FAST的科学目标之一，对中性氢的观测不仅仅会让人们进一步了解银河系乃至整个宇宙，更是对FAST技术的肯定，对那些在FAST建立过程中默默付出的工作者的认可。