“中國天眼”4年迎成果井噴 迄今發現脈沖星超240顆

發稿時間:2020-11-17 11:39:21

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  “中國天眼”4年迎成果井噴
  迄今發現脈沖星超240顆,產出高水平論文40余篇

  神秘未知的事物,似乎總有一種魔力,吸引人類在探索的道路上前赴后繼。天文便是如此:在廣袤的宇宙中,經常有一股電波襲來,僅僅閃現幾個毫秒。沒人知道,它究竟是什么。

  2007年,天文學家在分析澳大利亞64米射電望遠鏡2001年記錄的信號中,發現了這樣的毫秒電波。隨后,天文學家一直試圖尋求真相:誰發出了電波?如此快速閃現的電波,究竟包含了什么信息?

  經過大約10年的探尋,天文學家收集了30多個爆發源,它們在太空幾乎是隨機分布的,因此斷定“這些毫秒電波閃現源中的絕大多數,并非銀河系內的天體發出”。2017年,國際天文學家終于捕獲到一個毫秒無線電爆發,利用世界多臺大射電望遠鏡聯合探測,將這個重復爆發的無線電快速閃現源,定位到宇宙深處30億光年之外的一個星系。

  那些年,在這個前沿領域,中國沒有太多的話語權。因為中國沒有足夠大的射電望遠鏡,我國天文學家便很難拿到第一手資料,所以他們中的大多數,做的是理論研究。

  2016年,被譽為“中國天眼”的FAST(500米口徑球面射電望遠鏡)竣工,其反射面相當于30個足球場,經過3年調試,無可爭議地成為世界最靈敏的射電望遠鏡,大大拓展了人類的視野,也讓中國天文學家終于有機會走到人類視界的最前沿。

  如今,FAST望遠鏡已經對國內天文學家開放,一個又一個原創突破接連“冒”了出來。還記得“誰發出了毫秒電波”這個科學問題嗎?FAST望遠鏡給出了最新觀測,中國天文學家就此揭示了宇宙毫秒無線電爆發的新物理,相關成果論文連續兩次登上國際學術期刊《自然》。

  為兩大爭鋒“一錘定音”

  故事要從一年前說起。

  據北京大學教授、中科院國家天文臺研究員李柯伽介紹,在2019年FAST望遠鏡的嘗試性開放觀測中,研究團隊便希望利用FAST望遠鏡,觀測一個澳大利亞2018年3月1日探測到的爆發源FRB 180301,看看這個源是否會重復爆發。

  幸運的是,2019年7月16日,一個2小時的FAST望遠鏡觀測,如愿探測到了4次爆發。

  “這個結果讓人激動!”中科院國家天文臺研究員韓金林說。

  然而,在9月11日的4個小時觀測過程中,研究團隊竟然什么信號也沒有探到。

  課題組內部研究后,發現原先澳大利亞報告的爆發源位置存在,隨后調整了觀測策略,將望遠鏡對準的新的位置,并記錄偏振信號。

  很快,策略調整的效果顯現了。

  在2019年10月6日和7日,FAST望遠鏡在6個小時內探測到11次爆發。統計下來,在共計12個小時的觀測時間里,FAST望遠鏡探測到15次閃現,每次電波閃現的強度曲線也各不相同。

  “這個爆發源,與那個30億光年外的爆發源距離類似、無線電爆發率類似,但強度要暗弱很多。”北京大學和中科院國家天文臺聯合培養博士羅睿說。

  更讓人欣喜的結果,來自對11次爆發電波的高靈敏度偏振信號解析。

  北京大學和中科院國家天文臺聯合培養博士姜金辰說,FAST望遠鏡觀測的11個爆發信號中,有7個毫秒閃現爆發,能夠很好地解析出其偏振。令人激動的是,這7個偏振不僅是變化的,而且呈現出變化的多樣性。如此變化的偏振,在早先的重復爆中是從未看到過的。

  “這些也再次說明,FAST望遠鏡裝配的接收機偏振測量能力非常好。”李柯伽說。過去,世界上的望遠鏡僅僅對“30多個爆發源中的幾個”記錄了偏振信號,能夠詳細研究的樣本非常少。先前的探測看到:重復爆發源要么表現出平平的偏振角,即電波的極化面不變;要么是偏振角變化的現象,僅在一次性爆發源中看到過兩次。

  如今,FAST望遠鏡觀測到的偏振變化多樣性,則明確說明:宇宙中的爆發源可能來自致密星體磁層中的物理過程。這個觀測結果,直接對一批國際學者關于爆發來自粒子沖撞的理論提出挑戰,為近幾年兩大門派的理論爭鋒一錘定音。

  這一研究成果的論文,已于北京時間2020年10月29日凌晨發表于《自然》雜志。

  揭開宇宙毫秒無線電爆發新物理

  2020年4月,FAST望遠鏡迎來了一位新的使用者——北京師范大學講師林琳。她也是FAST望遠鏡近期另一篇《自然》論文的第一作者。

  林琳及其所在的團隊,提出了對銀河系磁星SGR J1935+2154軟伽馬射線重復暴源的觀測申請。FAST望遠鏡對此進行了持續監測。

  然而,在該磁星的X、軟伽馬射線爆發活躍期,特別是29個軟伽馬射線暴對應的精確時間節點上,FAST望遠鏡并未探測到任何源射電輻射。

  “這在一定程度上說明,宇宙中致密天體不同波段的爆發時,物理條件非常苛刻,無線電與伽瑪光子不能同時掃過地球。”據聯合研究團隊成員、中科院國家天文臺助理研究員王培介紹,FAST望遠鏡結合此前的探測,給出了這一快速射電暴源迄今最嚴格的射電流量限制。

  所謂快速射電暴,是目前已知宇宙中射電波段最明亮的爆發現象,持續時間極短,通常只有幾毫秒,能量釋放量巨大,至今尚未有其起源的明確解釋。

  王培說,這一領域的關鍵是認證其對應體。磁星是高度磁化的特殊中子星,2020年4月28日,加拿大的氫強度測繪實驗望遠鏡,第一次在銀河系內磁星SGR J1935+2154探測到了毫秒級射電脈沖暴發FRB 200428,追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯系。如今,FAST望遠鏡觀測結合了國際多波段設備,結果表明,FRB與SGR暴發具有較弱的相關性。

  “FAST望遠鏡的測量結果,對研究快速射電暴的起源和物理機制,起到重要的推動作用。”王培說。

  這一研究成果,已于北京時間11月5日凌晨在線發表在《自然》雜志。

  “走上‘出大成果’的攀登之路”

  隨著一系列關鍵技術的突破,FAST望遠鏡于2020年1月11日通過國家驗收,標志著望遠鏡所有技術指標都已經達到設計要求,并已經具備了開放運行的條件。

  FAST運行和發展中心常務副主任、總工程師姜鵬說,目前,FAST望遠鏡設施運行穩定可靠,近一年已經觀測服務了超過5200個觀測機時。

  談及這一穩定觀測的數據時,姜鵬專門提到地方政府的貢獻:“貴州省委省政府,在望遠鏡電磁環境保護方面作出了非常大的犧牲。”他說,當地政府配套資金解決了FAST望遠鏡的雙回路供電、地災治理等問題,在周邊布設20多個防雹站,為望遠鏡安全運行默默無聲地作著貢獻。

  2020年2月,FAST正式啟動了科學委員會遴選出的5個優先和重大項目,已經有近200家科學用戶開始使用并處理FAST的科學數據。4月,FAST時間分配委員會開始向國內天文界征集自由申請項目。

  “我們已經接到170余份申請,申請的總時間約5500個小時,實際批準1500個機時——只有近30%能得到支持,可見FAST望遠鏡觀測時間競爭相當激烈。”姜鵬說。

  中國科學院院士、FAST科學委員會主任武向平說,隨著性能的提升,FAST的科學潛力逐步顯現。

  在他看來,FAST的歷史最強絕對靈敏度,使其在射電瞬變源方面具有重大潛力。截至目前,基于FAST的數據發現的脈沖星超過240顆,在同一時間段世界第一,發表的高水平學術論文超過40篇——

  今年4月,中科院國家天文臺研究人員利用FAST觀測數據,在球狀星團M92中最新發現一個典型的“紅背蜘蛛”脈沖雙星系統M92A,其距離地球約2.6萬光年,這也是在M92中首次探測到的脈沖星。該發現還被美國天文學會選為亮點研究成果。

  5月,中科院國家天文臺研究員朱煒瑋、李菂等與合作者利用自主研發的搜尋技術,結合深度學習人工智能,對FAST海量巡天數據進行快速搜索,首次發現一個新的快速射電暴。

  7月,中科院南美天文中心程誠等科研人員利用FAST的19波束接收機,對一批低紅移恒星形成星系樣本中的4個星系進行先導觀測,首次探測到3個星系的中性氫發射線。

  2016年2月,LIGO合作組宣布首次直接探測到廣義相對論預言已久的引力波之后,對引力波的探測成為天文學界的熱門話題。武向平說,通過對毫秒脈沖星的長期監測,選取一定數目的毫秒脈沖星組成計時陣列,可以探測來自超大質量雙黑洞等天體發出的低頻引力波。

  “受益于FAST超高靈敏度,我們已經將脈沖星的測時精度提升至少一個數量級,這有望讓人類首次具備納赫茲引力波的探測能力。”武向平說,“可以說我們已經走在‘出大成果’的攀登之路上。”

  他同時表示,當下取得的成果,只是證明了FAST望遠鏡科學產出所能達到的高度,“但這不應該是終點,而是一個新的起點”。

  中青報·中青網記者 邱晨輝 來源:中國青年報

【編輯:于曉】

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