“中国天眼”将建扩展阵 为寻找地外生命“做功课”
作为世界上最大的单口径射电望远镜， 500米口径球面射电望远镜（FAST）将锁定太阳系外的太空，在距离地球约100光年的范围内寻找与地球一样拥有磁场的行星，助力寻找地外生命。近期，中法等国天文学家在《天文学及天体物理》杂志上发表了这一观测计划。
从零到一： 寻找首颗系外“磁行星”
磁场对于生命来说至关重要。
“地球磁场牢牢抓住地球表面的大气，避免其被太阳风吹走，隔绝了绝大多数强烈的宇宙射线，可保护生命不受射线的伤害。”中国科学院国家天文台研究员、FAST首席科学家李菂在接受科技日报记者采访时表示。
太阳风是从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流，当这种等离子体流到达地球附近时，大部分流体会被地球磁场干扰，绕过地球继续向太阳系外围前进。其余的一小部分则随着地球磁场线进入两极，并与空气碰撞，形成绚丽多彩的极光，而非直接照射到动植物体身上。
那么，地球磁场是如何形成的？
“地球内部的高温导致物质融化，大量电离物质特别是液态的铁金属，随着地球自转长期处于运动之中，使地球形成了一个强度较稳定、具有南北磁极的磁场。”李菂告诉记者，目前关于地球磁场的细节问题也是学界研究的热点之一，如经常出现磁场反转、磁极加速移动等。
在太阳系的八大行星中，除了地球，还有5颗拥有行星尺度的磁场，分别是水星、木星、土星、天王星和海王星，这些行星磁场的形成机制与地球大致相同。而对于太阳系外的空间，目前学界尚未真正探测到过拥有磁场的行星，但天文学家们已经发现了一些拥有磁场的褐矮星。褐矮星又被称为“失败的太阳”，因为它们相较于行星来讲太大了，最轻的褐矮星质量也有十几倍的木星大小；而相对于在核内发生氢聚变的恒星来说又很小。2018年，研究人员发现了一颗质量介于行星和褐矮星之间的天体（SIMP），磁场比木星还要强200倍左右。
“这让我们有理由相信，太阳系外也会存在很多有磁场的行星，FAST将要做的，就是突破这个零。”李菂说。
提升“视力”： 扩展阵助分辨率提升百倍
在星际的巨大尺度中，磁场的探测永远是个很难的问题。
对于太阳系内的行星结构、物理现象、甚至磁场，我们可采用发射探测器等方式直接探测。但系外行星对于空间探测器来说，遥不可及。只能通过地球上或附近的空间望远镜等设备接收信号，测量恒星的位置和速度是否变化来推测其周围是否存在行星；后来进一步发展利用“掩星”或引力透镜的现象进行观测，而上述常规的探测方式皆与行星内部的磁场相关度不高。
近20年来，一部分天文学家开始锁定射电信号，以期观测行星的磁场。为何会选在射电波段呢？
“如果行星有磁场，那么在主恒星星风的作用下，便会产生电磁辐射。特别是在射电这一频率跨度很宽的波段。”李菂表示。再者，对于地面的射电望远镜而言，大气层是“透明”的，即宇宙中的射电信号能量低、波长长，穿过大气层时不易散射，能够保留较为完整的信息被地面望远镜这双“眼睛”接收。以木星为代表的大行星辐射就发生在射电波段，这也启发人们在寻找其他同样具有磁场的行星时重点关注射电信号。
“FAST最大的优势在于接收射电信号的总面积很大，灵敏度高。”在李菂看来，FAST单位接收面积的性价比也很高。虽然世界上存在综合性能更强的射电望远镜，如某些阵列式望远镜，又如8台望远镜构成、观测首张黑洞照片的“事件视界望远镜”等，这些望远镜虽然分辨率更高，也能做很多FAST目前无法完成的观测内容，但由于每个阵列单元都要有独立的接收设备和传送、处理信号装置，因此成本将会指数级增长。FAST造价只有12亿人民币，而由66个望远镜单元组成的ALMA射电望远镜的造价为10亿英镑，折合成人民币约92亿元。
“FAST已经将灵敏度发挥到了极致，但由于口径的限制，观测系外行星时的分辨率还达不到理想要求。我们希望能够建设FAST扩展阵，将空间分辨率提升10—100倍。”李菂透露，目前计划采用5米口径的天线和简易接收单元，在现有的“球面”周围铺设成密集网，将原本300米有效基线扩大至几十公里。为了节省成本，扩展阵的每个单元不设置数字信号处理装置，而是利用光纤将接收到的电信号直接传输到在FAST的总处理器上。如此一来，“天眼”对于弱点源的响应性能将会大幅提升，“视力”进一步提高。
打开新窗： 或改变对地外生命现有认知
FAST一旦接收到第一颗系外行星的射电信号，将意味着打开系外宜居行星探索的新窗口。
“当这种探测大范围展开后，很有可能会得到一个结论，即表明太阳系之外行星磁场是普遍存在的。”李菂认为，虽然磁场并非地外生命存在的唯一条件，但作为保护生命的重要因素，未来愈发多样、详细的行星磁场的探测将会改变人们对地外生命的现有认知，甚至将为搜索智慧生命和地外文明提供助力。
