psp公众超新星搜寻项目(五年后,我们将见证双星合并)
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五年后,我们将见证双星合并
出品:科普中国
制作:黑洞来客团队苟利军 黄月
监制:中国科学院计算机网络信息中心
如果说两个陌生人在茫茫人海之中相遇并相爱的概率微乎其微,那么浩瀚宇宙中的两颗恒星,有多大的可能性相遇然后合并呢?
在刚刚结束不久的美国天文学会上,来自美国加尔文学院(Calvin College)的天文学教授拉里·莫尔纳(Larry Molnar)发布了一条令人兴奋的消息:在2022年3月左右,银河系内两个彼此靠近的低质量恒星即将合并。
这一消息一经公布便引起了公众的强烈兴趣,毕竟,并没有多少人类有机会在他们的有生之年见证两个恒星的合并。
这两颗恒星在哪里?距离我们有多远?是什么力量制造了这场惊天碰撞?这两个庞然大物的合并过程将持续多少年?恐龙不过是见证了一颗彗星与一颗行星的相遇而已,便几乎全军覆没,那么五年之后,当这两颗恒星最终碰撞,我们将会目睹怎样的奇景?这场碰撞又会对我们的母星地球有何影响呢?
让我们来细细探究一番,为这场宇宙级别的“相遇”提前做上一点儿功课。
图1:红点代表了合并的双星系统位置
1800光年之外:酝酿漫长,合并迅速
你大概已经知道,在我们的银河系内,有一个天鹅座,这两颗将要合并的恒星正处于天鹅座内。它们构成了一个被称为KIC 9832227的恒星双星系统,距离我们大约1800光年。
早在2015年1月,莫尔纳教授等人就在美国天文学会上发布过相关内容,将KIC 9832227认定为一个很有可能正在合并的双星系统。
他们分析了这一系统1999年-2014年间的数据,发现其周期在持续递减,递减趋势和天蝎座V1309爆发前的周期变化规律非常相似,而天蝎座 V1309内也曾发生过恒星合并事件。在2015-2016年间,莫尔纳教授等人利用进一步的观测数据,对他们之前的推断进行了验证,最终确认该系统终有一天将会合并。
不过,银河系中的恒星多达2000亿到4000亿颗,有接近1/3的恒星位于双星或者多星系统之内。双星系统内的两颗恒星合并貌似并非罕见之事。
事实果真如此吗?这就需要我们先了解一下双星系统的分类了。
我们很容易理解“双星系统”,即一个系统由两个天体构成;这两个天体可以是普通恒星,也可以是密度很大的致密天体,比如中子星或黑洞。
在天文学上,我们可以依照很多标准对双星系统进行分类,其中之一便是按照两个天体之间的距离进行分类。对于“远距双星(wide binary)”而言,两个天体之间相距较远,几乎没有什么相互影响。两个天体距离较近的被称为“密近双星(close binary)”,天体之间有可能互相影响或传输物质。在银河系为数众多的双星系统中,密近双星只有约4万对,可以说是非常稀少的。
有一部分密近双星过于“亲密”,甚至产生了接触,我们于是称其为“过接双星(contact binary)”。在一种极端情况下,过接双星是如此之“亲近”,以致于两个天体共享了同一个外部的气体包层。通常而言,它们需要几百万年或几十亿年的时间,才能达到共享包层的阶段,而一旦进入共享包层阶段,这两颗恒星将很快地合并,耗时仅仅数月或数年。相较于共享包层前的漫长岁月,合并的过程如同白驹过隙,这就如同一对恋人经过了马拉松式的恋爱,在求婚之后便火速完婚了一样。
我们前文所说的双星系统KIC 9832227已处于最终的共享包层阶段了,按照目前已有的理论估计,这两颗恒星只需大约5年时间就会合并完成。
图2:(左):合并前的想象图;(右):合并前的数值模拟图
双星合并将为我们带来一颗明亮的新星
根据目前的光谱数据分析,即将合并的两颗恒星的质量都不超过0.4个太阳质量,属于我们所了解的最小质量的恒星类别。它们看起来呈红色,表面温度约为两三千摄氏度。从目前的观测情况来看,两颗恒星还未合并,它们的视亮度约为12星等,已经完全超出了人类肉眼所能够看到的最低极限值(6星等),所以我们只能够借助望远镜进行观测。(星等是用来衡量天体亮度的单位,星星亮度越高,星等数值就越低;我们在夜晚看到的最明亮的天狼星,大约为0星等。)
这两颗恒星合并的整个过程将持续几个星期,相较于它们100亿年的寿命而言,这几周时间仿若一瞬。在这“一瞬间”内,它们的亮度将迅速增加10万倍,视亮度可达到2星等左右。看起来将和北极星的亮度差不多,仅次于我们在北天看到的最亮的三颗恒星:天狼星(-1星等),织女星(0星等)和心宿二(1星等)。
这一场双星合并的结局,就是我们的夜空中暂时多了一颗新的亮星,它的颜色依旧偏红,我们于是称之为“红新星”。这颗新星将存在至少100亿年,那我们为什么还要说“暂时”多了一颗新的亮星呢?因为它只会明亮数星期时间,之后就将黯淡下去,藏身于茫茫宇宙我们肉眼所不能及的黑暗之中。
2015年两个黑洞合并所产生的引力波吸引了全世界的目光,那么,五年后这两颗恒星合并是否也会产生引力波呢?
答案是肯定的。双星合并将也会释放一定能量的引力波,但微乎其微,几乎可以忽略不计。几乎所有能量都集中于电磁波段,我们只能依赖于传统的望远镜进行观测,美国的引力波天文台(LIGO)应该是没办法探测到这次合并事件的。
双星合并为我们带来了一颗明亮的新星,是否也会同时带来些许危险呢?
如果要预估这一事件对于地球生命的影响,我们就需要知道合并过程释放的能量到底有多少,以及对于地球大气等是否会产生什么影响。
两个天体合并会产生爆发现象,同时释放大量能量,这一点毋庸置疑,但是释放出来能量的多少,取决于合并天体的致密程度。比如,两个中子星合并会产生所谓的伽马射线暴,将在约1-2秒内释放出千倍于超新星能量的巨大能量,并产生极强的伽马射线——天文学家们已经讨论过这类爆发对于地球的影响——如果这类天体在银河系内或银河系之外距离不太远的地方指向我们爆发,地球上的生命定将遭受灭顶之灾。
然而,我们不必担心这两颗小小的恒星合并对地球生命带来任何影响。相较于其它致密天体合并,这两颗恒星合并所释放出来的能量微乎其微,甚至比一些正常恒星所产生的能量还小,何况它们所产生的能量主要是在光学波段。我们还是安心观赏那颗美丽的红新星好了。
站在天蝎座V1309的肩膀上等待新星
图3:可能的“红新星”麒麟座V838在爆发后演化图景,由哈勃望远镜观测
从理论角度而言,天文学家始终相信,低质量的双星合并是诞生稍大质量恒星的摇篮之一。但是,真正的观测却只是在最近几十年当中取得了一些进展,这要归功于一些大型天文巡天项目的开展和计算机处理能力的提高。在过去数十年中,天文学家多次观测到了类似的爆发现象,比如爆发于1988年位于大麦哲伦星系中的M31 RV,爆发于1994年位于银河系之内的人马座V4332,以及爆发于2002年麒麟座的V838系统——这些爆发很可能代表着合并事件,但我们并不能完全确定。
直到2006年,人类才真正确认了一次双星合并事件。利克天文台(Lick Observatory)超新星搜寻项目在距地球6000万光年的M85星系中发现了M85 OT2006-1的爆发,加州大学伯克利分校和加州理工的天文学家随后进行了详尽分析,发现这次爆发来源于两个低质量双星的合并,不同于之前其它所知道的新星爆发。但因此次爆发前的监测信息不足,所以,我们对于合并之前的双星系统十分缺乏了解。在这一年,天文学家们根据观测所得,为双星合并所形成的新星赋予了一个名字:“亮红新星”(luminous red novae)。
真正帮助天文学家解开“红新星”之谜的钥匙,藏在天蝎座V1309之中。这个系统最早是被中国和日本的天文爱好者发现的,他们随后将相关信息提交给了国际天文联合会的天体变源监测组织。然而,天蝎座V1309的详尽数据来自一个名为Optical Gravitational Lensing Experiment(简写为OGLE;光学引力透镜实验)的巡天项目。该项目由波兰华沙大学的天文学家于2001年正式启动,初衷是对大面积天区进行监测,希望寻找亮度发生变化的天体源,发现引力透镜现象,从而检验一些最初被认为可能构成暗物质的天体,比如黑洞。天蝎座V1309所在的位置刚好处于OGLE的监测天区之内,所以天文学家得到了其在爆发前直至爆发后的、长时间范围的大量观测数据。之后的数据分析不仅仅确认了这是一个“红新星”系统(双星合并后的系统),还为我们提供了更为重要的信息,即这个双星系统在合并之前是如何随时间演化的。
正是在天蝎座V1309系统合并前的观测数据以及建模基础之上,莫尔纳教授等人对KIC 9832227的系统演化做出了判断,预测这两颗恒星“亲密接触”并最终合并,将发生在2021年9月-2022年9月间。
还等什么,快去为即将亮起的红新星竖起一只倒计时牌吧!
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北冕天文台巡天项目
北京时间2018年12月30日,我们与中科院紫金山天文台近地天体望远镜团组合作的北冕天文台超新星搜索计划(CSNS)在29日晚的巡天数据中发现一颗超新星候选体,亮度17.0等,位于鲸鱼座,随后立即上报至TNS,并获得临时编号“AT 2018 lcd”。
30日傍晚,我们远程使用了澳大利亚iTelescope的50厘米口径CDK望远镜拍摄了该目标,获得了更加清晰的照片,至此我们可以确定该目标为一颗新天体,只需等待光谱确认其类型。
31日晚,中科院云南天文台丽江观测站使用2.4米口径望远镜对该目标进行了光谱拍摄,结果显示这是一颗年轻的II型超新星,观测结果随即上报至TNS与ATEL,该超新星获得了正式编号“SN 2018 lcd”。
当晚,我们再次使用CSNS观测了这颗超新星,目标亮度已增亮至16.6等。
至此,超新星“SN 2018 lcd”的发现认证工作已全部结束。这颗超新星的发现不仅属于北冕天文台,更是我们团队每一个成员共同努力的结果。同时也鸣谢中科院紫金山天文台近地天体望远镜团组及云南天文台张居甲老师的付出与努力。
而这颗超新星的发现属于北冕天文台广域巡天计划之一:超新星巡天。
除此之外,目前开展的广域巡天计划还包含“彗星巡天”和“近地小天体巡天”,这三个计划都已取得了优秀的成果,下面就带大家详细的了解具体内容。
北冕天文台巡天项目一:“超新星”巡天
北冕天文台超新星搜索(Corona Borealis Observatory Supernova Search,简称CSNS)启动于2018年6月,是北冕天文台第一个针对新天体搜索的巡天计划。同年9月,CSNS与中国科学院紫金山天文台近地天体望远镜团组展开合作,观测数据实现自动化处理。
目前,CSNS使用 Takahashi Mewlon-300CRS 作为主要观测望远镜,光学口径300毫米,焦比f/7.2,CCD采用QSI-683(KAF-8300)照相机。该组合单张照片视场为28.58角分x 21.52角分,Bin2解析力为每像素1.03角秒。经测试,在天气良好的无月夜,Bin2(Clear)单张曝光40秒时,极限星等可达19等左右,可轻松识别亮于18等的超新星候选体。2020年北冕天文台将这台望远镜的赤道仪进行了升级,目前使用的是10 Micron GM2000 HPS低温版本赤道仪,搭载了UBVRI测光滤镜,可以针对一些特殊目标进行测光观测。截止目前,已经有三篇论文出自这台望远镜的观测数据。
北冕天文台巡天项目二:“彗星”巡天
JIST项目Jiama ’erdeng Tianwentai / ICQ搜索和跟踪项目是一个彗星观测项目,该项目启动于2019年,主要的观测内容分为 三个方面 :
一、发现和搜寻新的彗星;
二、通过CCD成像系统对已知的彗星进行观测和定期的普查;
三、针对MPC PCCP页面上的待确认彗星目标进行跟踪观测,并予以确认。观测结果将发表在定期公布的CBET通讯上。
我们利用每个晴朗的夜晚,使用坐落在中国西藏阿里Jiamaerdeng Tianwentai的Takahashi Mewlon300和Alluna RC20两台望远镜进行JIST项目观测。
从2019年到2021年,该观测项目被称为Beimiantianwentai/ICQ Search and Tracking Program (简称为BIST/BIS+T)。于2021年7月更名为Jiama’erdeng Tianwentai /ICQ Search and Tracking Program(简称为JIST/JIS+T)。
JIST项目是由Jiamaerdeng天文台(以陈韬台长为主导)和国际彗星季刊(ICQ)、国际彗星科学中心(CSC)团队(以Daniel W. E. Green为主导)共同合作的。ICQ、CSC和CBAT从Tamkin基金会得到了计算机设备方面的慷慨支持。目前JIST项目的观测数据使用N55和N56两个国际小行星中心永久观测站编号上报MPC。
北冕天文台巡天项目三:“近地小天体”巡天
Zijinshan-Beimian Survey
2020年10月,我们与中科院紫金山天文台近地天体望远镜团组合作的近地小行星搜索计划(Zijinshan-Beimian Survey)投入观测,使用短焦比,大口径的RASA 11和RASA14以及Rifast16三台望远镜,选用高增益、低噪声的QHYCMOS相机,在无月夜进行巡天观 测,主要是针对一些对地球具有潜在威胁的的近地小行星进行跟踪及搜索,特别还在黄昏及黎明前的短暂时间对低空进行彗星搜索。
观测所获得的数据,通过近地天体望远镜团组的智能识别系统进行即时处理,并对一些已知目标进行天文定位,通过后台数据库的比对和分析进而来发现一些未知天体。
我们计划今年下半年将增加望远镜的数量,提升整个项目的观测能力和搜索范围;观测数据将实现本地化,提高处理效率,从而实现系统巡天的目的。
结束语:
随着我国航天事业的高速发展,我们将充分利用阿里得天独厚的空天观测条件,发挥10 Micron赤道仪的优越的性能,开展一些人造天体的观测项目。我们期待能与更多的专业天文机构、科研院校及各类大学共同开展科研项目合作,为能够在世界屋脊上营造一个顶级的观星圣地而努力奋斗。
地下的黄金怎么来的可以用探测器查到吗
2020年,村民利用一台抽水机和3公斤活性炭,吸取34万元的黄金。家人看着眼前黄灿灿的金子,既高兴又害怕,俯下身子,用微微颤抖的双手,抡起锤子用力砸着墙壁。
黄金意味着财富,有的人想尽一切办法,就是为了得到黄金。地球一直在运动,大量矿产资源被埋在大自然的地底下,仅凭人们的双眼,很难搜寻到它们的身影,不像露天矿产容易发现。在这些地下矿产资源中,就有很多黄金被埋在地下没有发现。
河北一村民,利用活性炭吸附黄金,却将自己送进了班房
河北青龙县某山村,曾经那里有一座矿场,当地的机械设备落后,开采黄金完全靠人工完成,成本太高,再加上矿产的含金量不高,年年亏损,只能关停,至今已有很多年没有开采。
村里的张某,为了赚点快钱,竟做出疯狂吸金的举动,每天晚上偷偷用抽水机将地下水抽出来,利用活性炭吸附黄金,获得非法利益34万元。
张某为了掩人耳目,每天晚上11点多起床,弄到凌晨4点回家,抽水过程相当隐蔽,他又是怎么被人发现的呢?
时间回到2020年9月份,村里的苏女士在外地打工,家里只有老人生活,突然手机收到短信,提示电费已经欠了好几百,几乎是平时的10倍。
当时苏女士就感到纳闷,家里只有老人生活,平时也用不了多少水,怎么会产生这么高的电费呢?随后向工厂请假,和丈夫一起坐火车回家查个究竟。
回到家里,苏女士打开井盖,发现里面的水位已经见底,水泵还在嗡嗡作响,根本就没有抽到水,一直在空转。
原来,为了方便老人,苏女士买了自动抽水的水泵,当池子里的水低于设定的标准时,就会自动启动抽水装置,水装满了才会停止。
可是谁也没想到,水井里的水位会那么低,低于水泵以后,抽水启动就会空转,电就这样白白浪费掉了。水池里的水不多,偶尔也会抽上来一点,家里的老人也就没有在意。
苏女士又去周围邻居家问了情况,他们家的井水都有这种情况,水位降低,抽上来的水还有点浑浊,根本就不能喝。
镇上的水务部门来调查,水位比往年下降太多,况且那段时间经常下雨,天气也不是很干旱,经过仔细分析,显然是有人在抽地下水。
接着又对村里每家每户的用电量进行排查,发现张某家的用电异常,比村里普通家庭的电费高出三十多倍,最后才将张某用抽水机抽取地下水,给自己谋取不正当利益的事揪出来。
张某抽取地下水,利用活性炭,通过技术手段,得到了955克黄金,金额高达340600元。家人看着这么多的黄金,既高兴又害怕。高兴的是,这些黄金卖给珠宝加工厂,一家人吃穿不愁,过上富人的生活,害怕的是,这些都是非法所得,随时有可能为此付出代价。
看着眼前的黄金,张某家人不知所措,想了个办法,打算先将黄金放进自家墙根,随后俯下身子,用微微颤抖的双手,抡起锤子将墙壁砸开。
可是第二天一早,张某还没来得及去外面躲藏,就被带走了,没想到用活性炭吸取地下的黄金,却将自己送进了班房。
火山喷发,将金元素带入地壳中,最终形成黄金矿产
关于黄金的由来,有很多种脑洞大开的说法,有人说地球形成的那一天,上面就有金子,也有人说,是外太空的陨石掉落到地球上,里面含有金元素。
说起黄金,不得不扯上宇宙,刚开始的时候,地球上面根本就不能住人,温度极高,与其他星球没有多大区别。
宇宙也有引力,大大小小的天体会运动,难免会发生撞击,当小的天体,轨道与地球重合时,撞击产生的热量,会将周围的陨石融化,其中的金元素就留在了地球。由于金子的密度大,会一直往下沉,大部分的金矿就在地下。
地球也会发生变化,比如说火山爆发,地底下的岩浆喷涌而出,金元素也就从地下来到地面,形成岩金,被人们发现以后,就是一座金矿,可以开采利用。
大约在26亿年前,曾经就发生过一次火山喷发,那次的威力可不小,大量的金元素,从深层的地核中,沿着裂缝被带到地幔,得以重见天日。
岩金受到日照风化的影响,雨水不断冲刷,岩石慢慢变成砂石,由于金子的性质不稳定,比重太大会沉淀,在河流里形成沙金,有的人也会去河里采挖河沙,提取里面的黄金。
由于沙金具有一定的吸附能力,在河水的带动下,颗粒之间会相互摩擦,聚集到一起形成金块。美国加利福尼亚州,村民在河边建房,就发现了一块重达280公斤的金块。
发现地下有黄金,如何开采出来
将地下的黄金开采出来,人们首先想到的画面是矿工的身影,戴着安全帽,头上的灯打开,进入深不见底的矿洞中,将矿石从井里运出来。
开采金矿是一个复杂的过程,开始之前需要进行大量的勘探工作,确定有矿以后,还要评估含金量,若是含金量太低,连成本都不够,也就没有开采的意义。
特别是在勘探环节,需要花费大量时间,专业人员前往目的地,甚至包括地质、化学、地理等学科方面的专家,通过勘探,发现金矿的比例非常低,全球能开采黄金的矿山在10%左右。
发现露天矿山相对容易,深度小于400米,矿体相对较浅,勘探的成本较低,只需要将表面的岩石去除,就可以取标本进行化验。
地下矿山在地表深处,需要用专业的挖掘设备,钻井建成隧道,将里面的矿石运出来,各方面的成本增加,金元素的含量相对也要大一些。
开采黄金是一个技术活,要用专业的工艺和技术,主要用到砂金开采和脉矿开采这两种方式。
砂金开采,主要适用于露天矿山,深度约30~100米,表面由泥沙覆盖,没有较厚的岩石层,不需要破碎的机械,在河床的岸边,用人工溜砂的方式进行洗矿。随着技术升级,后来慢慢用采金船代替人工,将挖掘机和洗矿的设备直接装在船上,采挖、冲洗、筛选等工序才都在船上完成,更加方便。
脉矿开采投入成本比较大,不同于砂金开采,需要大量的机械和辅助设备,在地下挖坑道或隧道,人工再下井将矿石运出来,劳动强度大,危险性也要高。
探测器是否可以探测到地下的金子
目前市面上的金属探测器很多品种,常用于安保行业,常常用于探测金属,包括金、银、铜、铁等,只要在人的身体周围刷一下,携带金属就会报警。
更为高端的探测器,可以区分金属的性质,假如不想探测钱,通过程序控制,就可以将铁过滤掉,探测到铁也不会报警。
金属探测器,无非就是通过电磁感应或X射线来工作,能够区分金属性质的探测器,在设备的两端装有环形线圈,能够对采集到的金属磁场进行过滤,避免外界磁场干扰,从而能判断地下的金属为哪种性质。
使用黄金探测仪,也会受到铁矿物的磁场影响,让黄金矿石的信号变得模糊,会导致识别错误或没办法探测。
专门探测黄金的仪器,价格不菲,普通人根本就买不起,有时花一个星期也找不到金子,浪费时间和精力,没有人愿意尝试。
写在最后
想要将地下的黄金开采出来,并不是一件容易的事,更何况它的属性不明确。根据统计,地球上的黄金总量约48亿吨,地下的黄金仅有1亿左右,大多数都处于地核之中,没办法开采。若干年之后,若是有技术能将地核中的黄金弄上来,将会带来不可估量的财富。
FAST天眼目前寻找到宇宙信号了吗能否真的找到外星文明
我国贵州天眼是花了好几亿美元建设起来的,它当然捕捉到了所谓的“宇宙信号”,要不然造这么大的一个望远镜简直白瞎了那么多钱,它主要的用途是观测宇宙,而不是寻找外星文明。
所谓的宇宙信号无非是频段不一的电磁波信号,有可见光,有X射线、γ射线之类的信号,天眼观测的重点就是射电信号。所谓的射电信号是指一定频段的电磁波信号,可以包括太阳的光辐射、辐射很强但极其遥远因而角径很小的类星体,类星体会释放出巨大的辐射喷流,需要灵敏度很强的设备才可以观测到,因为它们一般距离地球很远,也有频谱很窄、角径很小的天体微波激射源等,类似于系外行星对恒星亮度的周期性影响等较为微弱的天体事件。
建造天眼的目的就是捕捉这些微弱的宇宙信号,凭此人类可以了解宇宙的起源和演化,可以了解天体的构成。我国天眼建造的主要目的有以下:搜寻脉冲星,脉冲星是一类形成比较早的大质量恒星超新星爆发后的星核,它们可以辐射出强度规则的射电信号,利用脉冲信可以了解宇宙早期的演化,还可以作为未来星际航行的导航坐标;巡视银河系的中性氢,宇宙早期氢是主要的构成物质,尽管宇宙形成已经将近140亿年了,但是还有残留的早期的氢物质,搜寻中性氢可以了解银河系乃至宇宙的早期演化过程,提升我国基础科学的实力;构建通讯系统,允许地面和遥远的探测器联系;搜寻外星文明等等。
在这些任务中,搜寻外星文明应该是最不重要的一个目标,人类几十年来的探测活动证明大多数的探测活动都是徒劳,所以我们的天眼主要任务还是观测天体。在2017-2019年的试运行阶段,天眼总共找到了一辆百颗脉冲星或者疑似对象,然后经有外国同行确认。有人说咱找到的为啥必须由国外确认才行,这就是科学的方法,它需要质疑需要验证,因为天眼的口径最大,因此灵敏度最高,我们可以解决很多天体的定位问题,定位之后别的国家才可以迅速找到并且分析其构成,等于说是相互促进的过程。
目前天眼在搜寻脉冲星方面的成果巨大,但是对宇宙中性氢的巡视方面应该还没有开展,或者是开展了还没有报道。此前我国紫金山天文台的一期巡天项目结束,这个项目持续了一两年,发现银河系的直径可能在20万光年左右。我国贵州天眼的口径这么大,未来如是开展巡视中性氢的任务,肯定也会有很多的发现。莫不如说它迄今为止发现的所有的脉冲星都在不断地向地球辐射宇宙信号。宇宙是非常大的,宇宙射线的种类和数量很多,它肯定是接收到了很多信号的。
至于搜寻类地行星、外星文明之类的事情,目前应该只是天眼探测任务中一个比较不起眼的任务,天眼的主要任务还是正经的科研探测任务。去年天眼的观测计划已经初步透露,确实包括搜寻外星文明,但是我个人估计其观测时间所占的比例估计会比较低。
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