中国天眼最新成果发《自然》封面，FAST 中性氢谱线测量星际磁场取得重大进展，这有什么意义和影响？
近日，中国天眼（FAST）望远镜在中性氢（HI）谱线测量星际磁场领域取得了突破性进展，其研究成果荣登国际顶级学术期刊《自然》（Nature）封面，这一消息无疑为中国天文学界乃至全球宇宙学研究注入了一剂强心针。这项成果不仅仅是中国在射电天文学领域实力的一次集中展示，更是揭示了星际介质磁场在宇宙演化中扮演的关键角色，其深远的意义和影响将是多维度、长时期的。
科学意义：拨开星际磁场的神秘面纱
长期以来，星际磁场被认为是宇宙中最普遍但也最难测量的基本物理量之一。它如同看不见的“粘合剂”，默默地影响着星系的形成、恒星的诞生与死亡、宇宙射线的传播，甚至可能在暗物质的分布和结构中扮演某种角色。然而，由于其微弱且复杂的性质，直接精确测量星际磁场一直是个巨大挑战。
FAST之所以能在此领域取得突破，得益于其卓越的灵敏度和分辨率。通过对被广泛存在于星际空间的中性氢原子发出的21厘米谱线进行高精度观测和分析，科学家们得以利用一种被称为“法拉第旋转效应”（Faraday Rotation）的现象来反推磁场强度和方向。简单来说，当光（包括射电波）穿过一个有磁场的介质时，它的偏振方向会发生旋转，旋转的角度与磁场强度、介质密度以及传播路径长度有关。FAST的高性能使其能够捕捉到原本微弱的法拉第旋转信号，并将其与中性氢的结构信息相结合，从而获得比以往更精细、更可靠的星际磁场分布图。
此次FAST的研究成果之所以能登上《自然》封面，正是因为它首次实现了利用中性氢谱线对一个大尺度区域的星际磁场进行系统性、高精度测量，并且获得了具有里程碑意义的细节。这不仅仅是对“测量”这个行为本身的突破，更是对我们理解“是什么在影响着星际介质的运动和演化”这一根本性问题的深入探索。具体来说，它的科学意义体现在：
1. 揭示星际介质的动力学机制： 磁场可以限制和引导等离子体的运动。通过精确测量磁场，我们可以理解气体如何被束缚、如何流动，以及在星系中是如何被输运的。这对于理解星系的形态、旋臂的形成和维持，以及星系际介质（GIM）的分布都至关重要。
2. 理解恒星形成的“调控器”： 恒星诞生于富集的气体云中。磁场在其中扮演着双重角色：一方面，它能够抵抗引力坍缩，稳定气体云；另一方面，当磁场被扭曲或耗散时，它也能将角动量传递出去，促进坍缩，从而触发恒星的形成。FAST的测量成果能帮助我们更精确地量化磁场对恒星形成效率的影响，解答为何有些气体云能形成恒星，有些则不能的疑问。
3. 宇宙射线传播的“导航仪”： 宇宙射线是来自宇宙深处的带电高能粒子，它们在星际介质中传播时会受到磁场的影响而发生偏转。FAST的测量数据可以绘制出宇宙射线在星系内传播的“轨迹图”，帮助我们识别宇宙射线的来源，理解其能量损失和传播路径，进一步探索超新星遗迹等宇宙射线加速源的物理过程。
4. 探究暗物质与磁场的潜在联系： 虽然目前尚无直接证据，但有理论模型提出，星际磁场可能与暗物质的分布或性质存在某种关联。如果FAST的观测能提供足够的细节，例如在某些特殊区域发现磁场与暗物质分布的协同效应，那将为暗物质的研究开辟全新的视角。
5. 提升宇宙学模型精度： 对星系和宇宙大尺度结构的形成，磁场都是不可忽视的因素。更准确的磁场数据能够帮助科学家们改进和验证现有的宇宙学模型，例如关于结构形成的模型、星系演化模型等，从而更精确地描绘出宇宙从大爆炸至今的演化历程。
应用和技术影响：中国射电天文学的里程碑
FAST的这项成就，不仅仅是科学研究的胜利，更是对中国射电天文学领域的一次“正名”，其影响是多方面的：
1. 确立FAST在全球射电天文学的领导地位： FAST凭借其500米的口径，拥有前所未有的收集面积和灵敏度，使其在很多领域都拥有“独家视角”。此次关于星际磁场的突破，再次证明了FAST在观测能力上的世界领先性，将进一步巩固其在国际射电天文学研究中的核心地位，吸引全球最顶尖的研究力量和合作项目。
2. 催生新的观测和数据处理方法： 要从海量的数据中提取出如此精细的磁场信息，必然需要开发和优化新的数据处理算法和观测策略。这些方法和技术创新，不仅为FAST未来的其他项目（如寻找脉冲星、研究快速射电暴等）提供了宝贵经验，也可能成为其他射电望远镜借鉴和学习的范例。
3. 推动相关学科和技术的发展： 为了实现如此精确的测量，需要高性能的接收机、稳定可靠的指向系统、强大的信号处理能力以及先进的理论建模能力。这项成果的背后，是多学科交叉融合的体现，将促进射电天文学、物理学、计算机科学、工程技术等多个领域的发展。
4. 培养和吸引高水平科研人才： 重大科学成果的出现是吸引和培养人才的强大磁石。FAST的成功无疑会激励更多年轻科研人员投身射电天文学领域，同时也为国际顶尖人才提供了合作和交流的平台，有利于我国建设一支世界一流的天文学队伍。
5. 提升国家科技创新能力和国际影响力： 像“中国天眼”这样的重大科技基础设施，是国家科技实力的象征。FAST在中性氢谱线测量星际磁场上的重大突破，是中国在基础科学前沿领域取得重大进展的生动例证，不仅提升了中国的国际科技影响力，也为其他基础科学研究树立了榜样。
展望未来：打开星际磁场研究的新篇章
FAST的中性氢谱线测量星际磁场技术，为我们打开了研究星际介质磁场的全新窗口。未来，随着观测数据的积累和理论模型的不断完善，我们可以期待：
绘制更精细的银河系磁场图： FAST将能够对银河系不同区域、不同尺度的星际磁场进行更系统、更全面的描绘，揭示磁场在星系结构中的复杂分布和演化规律。
深入理解其他星系中的磁场： FAST的观测能力也足以让我们将类似的测量技术应用于其他近距离的星系，比较不同类型星系磁场的异同，从而理解星系磁场的普适性和独特性。
探索星际磁场在宇宙演化早期扮演的角色： 结合宇宙微波背景辐射等数据，我们或许能够回溯到宇宙早期，了解磁场是如何在宇宙大尺度结构的形成中发挥作用的。
总之，FAST在中性氢谱线测量星际磁场方面取得的最新成果，是继发现脉冲星、研究快速射电暴之后，又一项具有里程碑意义的重大科学突破。它不仅深化了我们对宇宙基本规律的认识，也为中国在基础科学领域赢得了重要的国际话语权。这项成果的背后，是中国科学家团队的智慧、勤奋和创新精神，更是FAST作为世界一流天文设施强大能力的有力证明。我们有理由相信，FAST将继续为人类探索宇宙奥秘贡献更多“中国智慧”和“中国力量”。
网友意见
看到这个问题的时候，大家的心情是不是这样的：
好在，采访了参与这项研究的FAST首席科学家李菂研究员以后，这些问号终于变小了……
大家先忘记那些打问号的地方，让我们从恒星的形成说起。
（以下内容根据采访记录整理）
首先复习一下恒星形成的经典理论
经典的模型认为，分子云孕育了恒星，分子云中的致密区域发生塌缩，最终形成恒星。
比如我们熟悉的太阳，大约46亿年前，在距离银河系中心约2.6万光年之处的螺旋臂上，一团分子云开始在重力的作用下坍缩，大量元素分子被束缚在一个很小的空间，密度和温度急剧升高，引发核聚变，形成了太阳。
但是这个过程并不简单，还会被其他过程所抗衡，比如磁场。
重力尽力把物质“拉”到一起，而磁场则把它们“顶住”，不允许它们继续收缩。分子云密度越高的地方，重力越大，磁场也越强。在这场漫长的拉锯战中，磁场通过双极耗散等作用慢慢“消失”，重力获得胜利，最后形成恒星。恒星的孕育过程可能长达上千万年。
我们的发现挑战了经典理论
本次研究的对象是一个恒星的“胚胎”（也就是位于金牛座的分子云L1544）的磁场强度。
在此之前，已经有其他科学家测量了它外层和内核的磁场强度，结果是：在外层，磁场占据着主导作用；内核虽然磁场更强，但分子密度也更大，因此重力占主导作用；然而还缺少介于外层和内核之间中间层的数据。
我们通过一种原创方法——中性氢窄线自吸收（HINSA）方法，利用FAST测量了L1544中间层的的磁场强度，发现了与经典理论模型不一样的地方：中间层的磁场强度并不比分子云外层强，也就是说，分子云的各层磁场相对均匀，强度没有明显改变，而且比较弱。
这意味着：L1544磁场“消失”的原因与过去认为的“双极耗散”形成了冲突，恒星形成可能存在新的机制。同时，这个结果还意味着，这颗未来的恒星将在百万年之后形成，是原来预计上千万年孕育时间的1/10。
如何“看”到遥远的磁场？
要想测量太空中的磁场强度是很难的，原因主要是两个：距离遥远、强度微弱。
目前，只能通过“塞曼效应”来间接测量分子云的磁场。塞曼效应是指白光沿磁场传播时，由于偏振作用使光谱发生变化，出现不同的颜色，根据光谱的变化就可以反推出磁场的强度。
只有发光足够强、对磁场响应足够显著的物质，能够被用来测量分子云里的塞曼效应，之前只能利用少数几种分子，而能够系统测量的只有羟基分子。
由于原子对磁场的响应会比分子强，氢原子又是宇宙中丰度最高的元素，2003年我们就提出了中性氢窄线自吸收的新方法，通过测量氢原子与氢分子碰撞冷却后的信号来测量星际磁场，而FAST正是探测暗弱中性氢源的利器。
这次研究首次实现了原创的中性氢窄线自吸收方法塞曼效应的探测，也实现了利用原子辐射手段来探测分子云磁场的“从0到1”的突破。
下一步，从1到100
那么，分子云L1544中观测到的情况是否在其他分子云中存在？在恒星形成过程中，星际磁场扮演了怎样的角色？
我们将努力实现“从1到100“，进一步把这个原创的新方法应用在更多分子云中，希望能够解决这些问题，揭示恒星形成的规律。
正如美国伊利诺伊大学教授理查德·克鲁切尔评价的那样：“通过观测中性氢窄线自吸收的塞曼效应，FAST首次揭示了在恒星形成的早期阶段，磁压不足以阻止引力收缩，这与恒星形成的标准理论不一致。这一发现对于理解恒星形成的天体物理过程至关重要，并显示了FAST在解决重大天体物理问题方面的潜力。”
更多的宇宙奥秘，期待FAST去解开
FAST研究的范围是非常广泛的，除了大家熟知的脉冲星探测，还有本次研究涉及的中性氢探测、快速射电暴观测、以及地外文明搜寻、超新星遗迹探索等等，有望带来对这些天体的新认识。
2021年，FAST一半的机时用于优先和重大科学项目，45%的时间用于自由申请的项目，10%的时间用于国际开放项目，5%的时间用于应急观测。
自2020年1月11日通过国家验收至今，FAST已运行近两周年。基于超高灵敏度的明显优势，它已成为中低频射电天文领域的观天利器。可以说，中国30年来对科技基础设施投入是史无前例的，我们既是建设者，同时也是受益者。这些对基础科学的投入，让我们更有超越世界先进国家的底气。
采访整理：张文韬
审核：中国科学院国家天文台 李菂研究员
出品：科学大院
转载请联系cas@cnic.cn
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