- 读书 >
- 睡前消息文字版 >
- 2021年(216) >
- 三月(243)
睡前消息247期：高能天文观测，斯里兰卡改善水利和民生
2021年3月12日睡前消息文字版第247期
【睡前消息247】北斗不止能导航，天文要靠全球组网
大家好，2021年3月12日星期五，今天督工请假了，我来播报第247期睡前消息，请静静介绍新闻。
北斗不止能导航，天文要靠全球组网
中国科技报报道，1月20日怀柔一号观测到一次伽马射线暴，还通过北斗三号系统，一分钟之内就把短报文通告给地面站。北斗本来是给地面导航用的，为什么会和伽马射线暴产生关联呢？
伽马射线暴，顾名思义就是宇宙中出现了伽马射线的闪烁，某个区域伽马射线强度突然增强，然后又快速减弱。这些伽马射线暴的来源距离地球往往有几十亿光年，在这么远的距离上还能保持这么高能的闪烁，这意味着宇宙中出现了非常剧烈的活动，几秒内释放的能量相当于太阳在100亿年整个生命周期里释放的总能量。同时几十亿光年的距离也意味着这种现象很罕见，平均100万个星系每个月才发生几次。如果银河系中出现这样的现象又恰好对准地球，那结果可能就是一次物种大灭绝，4.5亿年前的奥陶纪物种大灭绝很可能就起源于一次伽马射线暴。
高能伽马射线扫过地球破坏了臭氧层，导致生物圈崩溃，还生成了大量氮氧化物，遮蔽阳光，全球进入了冰河时代。当时称霸世界的三叶虫、珊瑚、腕足这些生物门几乎全军覆没，生物圈核心转向脊索动物门。
伽马射线暴的持续时间从几毫秒到几小时不等，目前人类观测到的伽马射线暴大都是超新星和极超新星爆发的结果，爆发时间比较长。还有一类短时标伽马暴，主流猜测是双中子星合并。
双中子星在互相旋转中，随着势能不断消耗，最后会相撞合并成为一个更大的中子星或者黑洞，在合并过程中释放出震撼整个宇宙空间的引力波，抛出大量接近光速的相对论性喷流，这些喷流脱离简并态后就会变成各类重元素物质，我们地球上的黄金都是这类宇宙极端现象的产物。地壳运动源于地核重元素裂变，追溯起来也算是中子星合并的余热。
通过研究这些伽马暴，除了可以进一步探索高能宇宙物理现象，还能通过比较短时标电磁信号和引力波信号的时间差，进一步验证爱因斯坦弱等效原理。中学物理讲牛顿引力只是一种低速宇宙的近似，引力场本质是时空弯曲。根据爱因斯坦等效原理，没有静止质量的光子和静止质量几乎可以忽略的中微子，在引力场中传播，所消耗时间和没有引力场是不一样的，这也叫做引力延迟效应，一般在脉冲双星中比较容易观测到。
短时标爆发会在同一时间释放出多种能量的光子，也可以验证一定延迟，所以2017年的双中子星合并事件观测结果进一步巩固了人类现代物理，而引力波振幅数据也进一步测量了宇宙膨胀的哈勃常数。
现在地球上已经有很多大型的天文观测站了，为什么我们还要专门发射卫星去观测呢？
这首先是因为高能宇宙射线很难穿越大气层。人类现在有很多射电望远镜用来观测宇宙的电磁波信号，但地面上能接受到的电磁波绝大部分都是可见光，少量近红外光以及无线电信号。紫外线波长与分子尺寸相近，X射线波长与原子相近，伽马射线波长与原子核相近，都会被大气层干扰。
本来几十亿光年外的宇宙现象传到地球已经很微弱了，再加上大气层阻拦，几乎没法在地面上观测，只有波长几厘米到10米左右的无线电能够被地面的射电望远镜观测到，这也叫射电窗口，相应的可见光观测就要用到光学望远镜。反过来说，这也是大气层对生物圈的保护，因为如果连地面都能观测到高能宇宙射线，那大概率是个宇宙悲剧。
所以人类的X射线和伽马射线天文学出现的都很晚，直到1949年9月美国海军研究实验室才在新墨西哥州用V2火箭搭载盖格计数器在大气层外观测到太阳的X射线，证明太阳是个X射线源。到70年代才在天空实验室上搭载掠射式望远镜，这也是人类第一个X射线天文望远镜。
类似的伽马射线天文学出现的也很晚，直到美国在苏联人造卫星刺激下推出了探索者计划，在1961年用探索者11号首次观测到了来自宇宙各个方向的伽马射线辐射，说明这是一种普遍的天文现象。而最早发现伽马射线暴的卫星原本是用来监测地面核实验的船帆座卫星，后来船帆座扩大到12颗卫星组成的监控系统，在1979年9月22日观测到南大西洋和印度洋交界处的双闪事件，被认为是以色列核实验的证据。
那回到最初的问题，北斗卫星发挥的作用是什么呢？
因为短时标爆发现象来得快去得快，地面站很可能来不及看到，而卫星虽然能第一时间看到，却看不清具体来自于哪颗星星，所以必须天地联合响应，调用全球天文台资源才能实现精准的观测。
先说看不清的问题。宇宙高能现象虽然往往伴随可见光和无线电信号，能够被地面望远镜观察到，但单体望远镜的分辨率有限，宇宙任何一个方向上都分布着数不清的星系，人类观察到几十亿光年外的宇宙现象，想要具体确定是哪颗星球，分辨率必须要足够高，这就要把望远镜做到更大，同时还要不断优化系统。单独的天基或地基望远镜观测精度都不够用，更何况卫星能搭载的设备本来就少，想要进一步精密观测，必须要联合地基天文台。
人类单体工程尺寸是有材料学极限的，超大望远镜已经要找特定的地形了，比如我国贵州fast是在喀斯特地貌的盆状山谷里，美国已经坍塌的阿雷西博望远镜是在死火山口上。所以更精准的观测只能靠多望远镜组成阵列，拉长观测基线提高分辨率，比如荷兰的韦斯特博克综合孔径射电望远镜就是用14面25米抛物面天线组成阵列，其中四面还可以在铁轨上移动，类似的加拿大自治岭射电天体物理台的综合孔径望远镜也采用相同的铁轨移动手段。
而对于几十亿观点外的天文现象，这种公里级的基线还是太短，观测精度还是不够，很多现象还是看不清楚。比如人类很早就通过间接手段观察到了黑洞，但由于设备分辨率不高，很难直接观察到黑洞轮廓。所以从2006年开始，世界各国天文台就开始陆续进行联合观测，以地球直径为基线，合作搞出了一个行星级望远镜，也就是事件世界望远镜，这才有了2019年人类首次用数据渲染出第一张黑洞图像。
反过来说，地基天文台的问题是来不及看。人类目前研究的短时标爆发现象主要包括伽马射线暴、引力波伽马暴、快速射电暴和地球伽马闪。地球伽马闪是雷暴天系的强电场激发大气粒子的辐射现象，其他的短时标暴其源头几乎都是宇宙深处的高能现象。
但大部分射电望远镜的观察范围只是一个立体角很小的圆锥区域，也叫视场。想要观测更多的星空，只能靠调整望远镜的朝向，建更多的望远镜，再就是等地球自转。这和星球大战站里的死星武器笑话差不多。
地面天文站平时都有自己的科研任务，对准不同的方向，短时标爆发现象就好比一个装满不同灯泡的大厅，每个人都在看不同的灯泡，突然有个灯泡闪了一下，能看到是运气，就算看到了由于分辨率不够，还没等看清楚是哪个灯泡闪就结束了。
卫星不像地面，没有视线遮挡，没有大气层阻碍，能直接接受各个方向的高能射线。怀柔一号使用双星系统，各占地球一边，能够无死角覆盖整个天区，指向性虽然差一点只能精确到一度，但那能够快速确定大概是哪片天区出现闪烁，通过全球发报地面站就能联合观测，进一步解析详细数据，搞清楚深空发生了什么。
类似的联合调度在去年已经让人类尝到了甜头。2017年6月我国发射了第一颗X射线天文卫星“慧眼”，2020年4月中旬慧眼观测到3万光看外银河系的一颗磁星开始进入活跃区，频繁爆发X射线，于是我国科学家开始长期定点观测。4月28日这颗磁星突然爆发出两个强度极高的X射线脉冲，紧接着8.6秒后美国和加拿大的地面站也模糊发现这一天区出现了快速射电暴，通过比对慧眼卫星和地面站的数据，方向一致，波形一致，而8.6秒刚好符合大约3万光年距离上的色散延迟，可以确定北美看到快速射电暴和慧眼看到的X射线暴源于同一颗磁星。这是人类首次确定快速射电暴的起源，破解了世纪未解之谜。
快速射电暴能在几毫秒内爆发出超过整个银河系的功率，过去人们搞不清来源，甚至猜测是外星文明的活动。现在中国科学家可以公布答案了，这跟三级文明没有关系。
高能射线天文学是冷战军事活动的附带产物，现在中国是平衡世界秩序的核大国，有必要履行联合国常任理事国的职责，禁止全球的核实验，所以中国需要更多的观测卫星，平时研究宇宙，关键时刻第一时间向全球通报哪里在搞核实验，带着国际原子能机构去核查，为人类文明保驾护航。
除此之外，更多的地面站有助于更精密的卫星定轨，让导航星座更精准，同时也是深空探测活动的基础。比如为了接收天问一号的信息，天津武清区专门赶工完成的70米直径的射电望远镜能够跟随火星移动，是以后一系列天问工程的基础。
高能天文观测还有潜在的战略意义。由于星空变化很缓慢，可以近似看作是空间坐标系中固定不变的参照点，这样一来，当常规导航体系被破坏，洲际弹道导弹除了靠自带陀螺仪导航，就只能靠星光导航。脉冲中子星会周期性释放脉冲信号，而且随着自转和朝向的不同，会有不同的信号特征，就像人的声纹特征一样，是非常完美的星光参照点。由于脉冲星会在自转中有规律的闪烁，航天器和脉冲星的相对速度不同，收到脉冲的间隔也会被拉长或者缩短，航天器就可以解算出自己的轨道参数，解决定位问题。2018年和2019年天宫二号和慧眼卫星分别完成了X射线脉冲导航的实验，定位误差小于10公里。
斯里兰卡改善水利和民生
新华社报道，2月5日由中国建筑股份有限公司承建的埃勒黑勒引水隧道工程在斯里兰卡内陆省份北中省首府开工，斯里兰卡总统当天参加开工典礼。总统媒体部当日发布新闻公报说，这个工程将完善北中省灌溉系统，提高当地水资源利用能力。在大多数人的印象中，斯里兰卡是一个小岛国，而且地处热带，按理说应该不缺降水，为什么还需要修筑这样的引水工程呢？
这是个印象偏差，斯里兰卡是个大岛，大到有足够复杂的地理环境，能产生不同的气候，所以要用引水隧道在不同气候区之间调配水资源。
大多数世界地图采用的投影法都会拉伸高纬度区域，导致赤道附近地区看起来比较较小。从面积上算，斯里兰卡有6.56万平方公里，是台湾省的1.8倍，和宁夏差不多，这么大的面积足够装下复杂的山脉。斯里兰卡中部是高原山地，最高的皮杜鲁塔拉格勒山海拔超过2500米。
斯里拉卡年平均气温28度，年均降水量离1200到2000毫米。从绝对数字上说是不缺水的，但从降水分布上看，热带季风的暖湿空气会被山脉阻拦，导致高原两侧气候明显不同，从而放大雨季和旱季的效果。雨季降水有多疯狂，旱季蒸发量就有多可怕。结果就是斯里兰卡不同区域会在不同季节缺水。
北半球夏季时斯里兰卡岛盛行西南季风，来自印度洋的季风带来暖湿空气在斯里兰卡西南地区受地形抬升冷却凝结产生降水，而岛屿的东北地区此时处于背风坡降水偏少。到了北半球冬季时斯里兰卡岛盛行东北季风，来自孟加拉湾的季风会带来湿润空气，在斯里兰卡岛东北地区产生地形雨，而西南地区此时降水较少。
在这种系统下，如果不能解决旱季储水用水的问题，不可能维持大规模的农业耕种和大量人口聚居生活。而没有一定的人口聚落，城市乃至国家更高层次的人类社会文明结构也就无从诞生。所以斯里兰卡在古代一直都是没有出现文明，只有少量的原始部落。直到公元前5世纪左右，2500年前印度大陆上的雅利安人移民到了斯里兰卡岛上，他们已经具有了高度的文明，在岛上赶走了土著居民建立了自己的聚落，这就是后来的斯里兰卡主体民族僧迦罗人。
僧迦罗人来自于古印度的高度农业文明社会，水利和建筑知识已经很丰富了，从登陆斯里兰卡开始他们就一直在想办法使用用水利工程来解决雨季和旱季交替的严酷处境，保障农业生产。而斯里兰卡岛北部遍布的石灰岩地层恰好适合蓄水，石灰岩也为人们提供了筑坝蓄水的建筑原料。僧迦罗先民们把他们从南亚次大陆带来的建筑技术发扬光大，建立了以水库和灌溉渠系统为标志的斯里兰卡僧迦罗水利文明，成为亚洲三大水利灌溉文明之一，创造了辉煌的历史。
水是农业和文明的命脉，回顾斯里兰卡的历史，兴修水利就成了历任斯里兰卡君主合法性的来源，夸张一点来说，僧迦罗人古代王朝的整个历史都是围绕这些水利设施而生的。但僧迦罗人毕竟只是一个古代民族，岛屿的自然承载力有限，斯里兰卡很容易就触摸到了发展的天花板，所以现在斯里兰卡需要中国，要借助中国的资金和工程能力来发展自己的现代水利设施。早在2018年中国企业承建了斯里兰卡最大水利枢纽就竣工了，扩容6亿立方米，这个水库被誉为斯里兰卡南水北调工程。
这次的埃勒黑勒引水隧洞全长27.7公里，其中tbm硬岩掘进施工总长超过了20公里，这是中国建筑在斯里兰卡承接的第一个tbm隧洞项目。建成后可以完善斯里兰卡内陆地区的灌溉系统，提高水资源支配能力，改善当地的经济环境。
斯里兰卡毕竟是一个穷国，借钱搞这么多的水利建设，是不是还有其他的原因呢？
除了农业、民生，斯里兰卡大规模兴修水利也是一场政治运动。几十年来斯里兰卡政府一直在和北部泰米尔分离势力开战，直到2009年击毙猛虎组织头目才算告一段落。现在搞南水北调拉动北部经济发展，也是在弥合国内的地域矛盾。
前面提到斯里兰卡主体民族是僧迦罗人，占总人口的75%，北部的泰米尔人是主要少数民族，占人口的18%。世界上的泰米尔人主要分布在南印度，斯里兰哈北部的泰米尔族群就是不断从南印度迁徙，甚至是从南印度侵略过来的。
文化上僧迦罗人接受了孔雀王朝的佛教，而泰米尔人信奉的是印度教。军事上，历史上南印度割据政权不断侵略斯里兰卡，到14世纪在斯里兰卡北部建立了泰米尔人王国，不断向南驱逐僧迦罗人。所以历史上两大民族的矛盾一直很深。
15世纪末欧洲开启了大航海时代，斯里兰卡又陷入了殖民统治，先后被葡萄牙、荷兰和英国殖民。斯里兰卡的热带山地气候适合开发茶园，今天市面上的红茶很多产地都是斯里兰卡。英国人为了方便控制这些茶园，从南印度运输了很多泰米尔劳工到斯里兰卡种茶，不断提高泰米尔人在当地的占比，加剧了族群矛盾。
1948年2月斯里兰卡独立成为英联邦自治领，两大族群之间的矛盾愈演愈烈。英国殖民时期对两族实施分化治理，当地精英阶层主要是泰米尔人。斯里兰卡独立后，占据人口主体的僧迦罗人立刻在政治上反弹，把很多茶园的泰米尔劳工驱逐回印度，把僧迦罗语定为唯一官方语言，1972年斯里兰卡在宪法中规定把佛教定为国教。短短20多年泰米尔人在语言和宗教上从一等人变成了二等人，于是爆发了内战，一直断断续续打到2009年。
由于斯里兰卡位于印度洋航线要道，内战也免不了遭遇国际干涉，海峡对岸的印度泰米尔纳德邦与斯里兰卡的泰米尔势力同宗同源，所以干涉斯里兰卡内战就成了印度大选的重要议题。但从印度政府的角度来看，斯里兰卡问题也是左右为难的，不给泰米尔同胞撑腰，自己的泰米尔人不干，撑过头了，万一斯里兰卡北部的泰米尔人独立，自己的泰米尔纳德邦也跟着闹独立该怎么办？
但斯里兰卡政府没给印度人时间多考虑，在1987年几乎要剿灭猛虎组织，印度政府坐不住了，只能赶紧给猛虎组织空投物资、送武器，还在海峡对岸集结7000人，向斯里兰卡施压。结果膨胀的猛虎组织很快就成了反噬印度的恐怖组织，不仅导致印度维和失败，还在1991年刺杀了拉吉夫甘地。
经过几十年内战，斯里兰卡满目疮痍、百废待兴，虽然短期内对猛虎组织成员实施了集中教育改造，但长期来看还是要靠经济发展来改善民族关系，用现代化让北部地区人民摆脱贫困，压缩极端恐怖主义的生存空间，所以这些年来斯里兰卡一直在寻求和中国的经济合作。
现在斯里兰卡南部的科伦坡港和汉班托塔港都有专门的中国承建区和长久租赁区，成为中国在印度洋的重要战略支点。
好，第247期睡前消息到此结束，感谢各位收看。睡前消息视频节目每周二五、日在各个视频平台播出，没有视频节目的日子欢迎关注“睡前消息编辑部”的微信公众号和微博，我们周日再见。
