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  • “中国天眼”4年迎成果井喷 迄今发现脉冲星超240颗

作者:淘小白11-17 9:59分类: 互联网

“中国天眼”FAST望远镜实景。中科院国家天文台供图

神秘未知的事物,似乎总有一种魔力,吸引人类在探索的道路上前赴后继。天文便是如此:在广袤的宇宙中,经常有一股电波袭来,仅仅闪现几个毫秒。没人知道,它究竟是什么。

2007年,天文学家在分析澳大利亚64米射电望远镜2001年记录的信号中,发现了这样的毫秒电波。随后,天文学家一直试图寻求真相:谁发出了电波?如此快速闪现的电波,究竟包含了什么信息?

经过大约十年的探寻,天文学家收集了30多个爆发源,它们在太空几乎是随机分布的,因此断定“这些毫秒电波闪现源中的绝大多数,并非银河系内的天体发出”。2017年,国际天文学家终于捕获到一个毫秒无线电爆发,利用世界多台大射电望远镜联合探测,将这个重复暴发的无线电快速闪现源,定位到宇宙深处30亿光年之外的一个星系。

那些年,在这个前沿领域,中国没有太多的话语权。因为中国没有足够大的射电望远镜,我国天文学家便很难拿到第一手资料,所以他们中的大多数,做的是理论研究。

2016年,被誉为“中国天眼”的FAST(500米口径球面射电望远镜)竣工,其反射面相当于30个足球场,经过3年调试,无可争议地成为世界最灵敏的射电望远镜,大大拓展人类的视野,也让中国天文学家终于有机会走到人类视界的最前沿。

如今,FAST望远镜已经对国内天文学家开放,一个又一个原创突破接连“冒”了出来。还记得“谁发出了毫秒电波”这个科学问题吗?FAST望远镜给出了最新观测,中国天文学家就此揭示了宇宙毫秒无线电爆发的新物理,相关成果论文连续两次登上国际学术期刊《自然》。

来源于磁层的快速射电暴偏振多样性,李柯伽供图

为两大争锋“一锤定音”

故事要从一年前说起。

据北京大学教授、中科院国家天文台研究员李柯伽介绍,在2019年FAST望远镜的尝试性开放观测中,研究团队便希望利用FAST望远镜,观测一个澳大利亚2018年3月1日探测到的爆发源FRB 180301,看看这个源是否会重复爆发。

幸运的是,2019年7月16日,一个2小时的FAST望远镜观测,如愿探测到了4次爆发。

“这个结果让人激动!”中科院国家天文台研究员韩金林说。

然而,在9月11日的4小时观测过程中,研究团队竟然什么信号也没有探到。

课题组内部研究后,发现原先澳大利亚报告的爆发源位置存在,随后调整了观测策略,将望远镜对准的新的位置,并记录偏振信号。

很快,策略调整的效果显现了。

在2019年10月6日和7日,FAST望远镜在6个小时内探测到11次爆发。统计下来,在共计12个小时的观测时间里,FAST望远镜探测到15次闪现,每次电波闪现的强度曲线也各不相同。

“这个爆发源,与那个30亿光年外的爆发源距离类似、无线电爆发率类似,但强度要暗弱很多。”北京大学和中科院国家天文台联合培养博士罗睿说。

更让人欣喜的结果,来自对11次爆发电波的高灵敏度偏振信号解析。

北京大学和中科院国家天文台联合培养博士姜金辰说,FAST望远镜观测的11个爆发信号中,有7个毫秒闪现爆发,能够很好地解析出其偏振。令人激动的是,这7个偏振不仅是变化的,而且呈现出变化的多样性。如此变化的偏振,在早先的重复爆中是从未看到的过。

“这些也再次说明,FAST望远镜装配的接收机偏振测量能力非常好。”李柯伽说。过去,世界上的望远镜仅仅对“30多个爆发源中的几个”记录了偏振信号,能够详细研究的样本非常少。先前的探测看到:重复爆发源要么表现出平平的偏振角,即电波的极化面不变;要么是偏振角变化的现象,仅在一次性爆发源中看到过两次。

如今,FAST望远镜观测到的偏振变化多样性,则明确说明:宇宙中的爆发源可能来自致密星体磁层中的物理过程。这个观测结果,直接对一批国际学者关于爆发来自粒子冲撞的理论提出挑战,为近几年两大门派的理论争锋一锤定音。

这一研究成果的论文,已于北京时间2020年10月29日凌晨发表于《自然》杂志。

揭开宇宙毫秒无线电爆发新物理

2020年4月,FAST望远镜迎来了一位新的使用者——北京师范大学讲师林琳。她也是FAST望远镜近期另一篇《自然》论文的第一作者。

林琳及其所在的团队,提出了对银河系磁星SGR J1935+2154软伽马射线重复暴源的观测申请。FAST望远镜对此进行了持续监测。

然而,在该磁星的X、软伽马射线爆发活跃期,特别是29个软伽马射线暴对应的精确时间节点上,FAST望远镜并未探测到任何源射电辐射。

“这在一定程度上说明,宇宙中致密天体不同波段的爆发时,物理条件非常苛刻,无线电与伽玛光子不能同时扫过地球。”据联合研究团队成员、中科院国家天文台助理研究员王培介绍,FAST望远镜结合此前的探测,给出了这一快速射电暴源迄今最严格的射电流量限制。

所谓快速射电暴,是目前已知宇宙中射电波段最明亮的爆发现象,持续时间极短,通常只有几毫秒,能量释放量巨大,至今尚未有其起源的明确解释。

王培说,这一领域的关键是认证其对应体。磁星是高度磁化的特殊中子星,2020年4月28日,加拿大的氢强度测绘实验望远镜,第一次在银河系内磁星SGR J1935+2154探测到了毫秒级射电脉冲暴发FRB 200428,追踪到磁星与快速射电暴之间的联系。如今,FAST望远镜观测结合了国际多波段设备,结果表明,FRB与SGR暴发具有较弱的相关性。

“FAST望远镜的测量结果,对研究快速射电暴的起源和物理机制,起到重要的推动作用。”王培说。

这一研究成果,已于北京时间11月5日凌晨在线发表在《自然》杂志。

“走上‘出大成果’的攀登之路”

随着一系列关键技术的突破,FAST望远镜于2020年1月11日通过国家验收,标志着望远镜所有技术指标都已经达到设计要求,并已经具备了开放运行的条件。

FAST运行和发展中心常务副主任、总工程师姜鹏说,目前,FAST望远镜设施运行稳定可靠,近一年已经观测服务了超过5200个观测机时。

谈及这一稳定观测的数据时,姜鹏专门提到地方政府的贡献:“贵州省委省政府,在望远镜电磁环境保护方面做出非常大的牺牲。”他说,当地政府配套资金解决了FAST望远镜的双回路供电、地灾治理等问题,在周边布设20多个防雹站,为望远镜安全运行默默无声地做着贡献。

2020年2月,FAST正式启动了科学委员会遴选出的五个优先和重大项目,已经有近两百名科学用户开始使用并处理FAST的科学数据。4月,FAST时间分配委员会开始向国内天文界征集自由申请项目。

“我们已经接到170余份申请,申请的总时间约5500个小时,实际批准1500个机时——只有近30%能得到支持,可见FAST望远镜观测时间竞争相当激烈。”姜鹏说。

中国科学院院士、FAST科学委员会主任武向平说,随着性能的提升,FAST科学潜力逐步显现。

在他看来,FAST的历史最强绝对灵敏度,使其在射电瞬变源方面具有重大潜力。截至目前,基于FAST的数据发现的脉冲星超过240颗,在同一时间段世界第一,发表的高水平学术论文超过40篇——

今年4月,中科院国家天文台研究人员利用FAST观测数据,在球状星团M92中最新发现一个典型的“红背蜘蛛”脉冲双星系统M92A,其距离地球约2.6万光年,这也是在M92中首次探测到的脉冲星。该发现还被美国天文学会选为亮点研究成果。

今年5月,中科院国家天文台研究员朱炜玮、李菂等与合作者利用自主研发的搜寻技术,结合深度学习人工智能,对FAST海量巡天数据进行快速搜索,首次发现一个新的快速射电暴。

今年7月,中科院南美天文中心程诚等科研人员利用FAST的19波束接收机,对一批低红移恒星形成星系样本中的4个星系进行先导观测,首次探测到3个星系的中性氢发射线。

2016年2月,LIGO合作组宣布首次直接探测到广义相对论预言已久的引力波之后,对引力波的探测成为天文学界的热门话题。武向平说,通过对毫秒脉冲星的长期监测,选取一定数目的毫秒脉冲星组成计时阵列,可以探测来自超大质量双黑洞等天体发出的低频引力波。

“受益于FAST超高灵敏度,我们已经将脉冲星的测时精度提升至少一个数量级,这有望让人类首次具备纳赫兹引力波的探测能力。”武向平说,“可以说我们已经走在‘出大成果’的攀登之路上。”

他同时表示,当下取得的成果,只是证明了FAST望远镜科学产出所能达到的高度,“但这不应该是终点,而是一个新的起点”。

(来源:中国青年报)

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