“中國天眼”4年迎成果井噴 迄今發現脈衝星超240顆

“中國天眼”4年迎成果井噴 迄今發現脈衝星超240顆

神祕未知的事物,似乎總有一種魔力,吸引人類在探索的道路上前赴後繼。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,它究竟是什麼。

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。隨後,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,究竟包含了什麼信息?

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佈的,因此斷定“這些毫秒電波閃現源中的絕大多數,並非銀河系內的天體發出”。2017年,國際天文學家終於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,將這個重複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。因爲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,被譽爲“中國天眼”的FAST(500米口徑球面射電望遠鏡)竣工,其反射面相當於30個足球場,經過3年調試,無可爭議地成爲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於有機會走到人類視界的最前沿。

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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》。

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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複爆發。

幸運的是,2019年7月16日,一個2小時的FAST望遠鏡觀測,如願探測到了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,研究團隊竟然什麼信號也沒有探到。

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

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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個小時的觀測時間裏,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,但強度要闇弱很多。”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,在早先的重複爆中是從未看到過的。


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“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:重複爆發源要麼表現出平平的偏振角,即電波的極化面不變;要麼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緻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於爆發來自粒子衝撞的理論提出挑戰,爲近幾年兩大門派的理論爭鋒一錘定音。


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這一研究成果的論文,已於北京時間2020年10月29日凌晨發表於《自然》雜誌。

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2020年4月,FAST望遠鏡迎來了一位新的使用者――北京師範大學講師林琳。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軟伽馬射線重複暴源的觀測申請。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望遠鏡並未探測到任何源射電輻射。

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“這在一定程度上說明,宇宙中緻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。

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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。

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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衝暴發FRB 200428,追蹤到磁星與快速射電暴之間的聯繫。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,已於北京時間11月5日凌晨在線發表在《自然》雜誌。

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隨着一系列關鍵技術的突破,FAST望遠鏡於2020年1月11日通過國家驗收,標誌着望遠鏡所有技術指標都已經達到設計要求,並已經具備了開放運行的條件。

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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望遠鏡的雙迴路供電、地災治理等問題,在周邊佈設20多個防雹站,爲望遠鏡安全運行默默無聲地作着貢獻。

2020年2月,FAST正式啓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並處理FAST的科學數據。4月,FAST時間分配委員會開始向國內天文界徵集自由申請項目。

“我們已經接到170餘份申請,申請的總時間約5500個小時,實際批准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,隨着性能的提升,FAST的科學潛力逐步顯現。

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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,基於FAST的數據發現的脈衝星超過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――

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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”脈衝雙星系統M92A,其距離地球約2.6萬光年,這也是在M92中首次探測到的脈衝星。該發現還被美國天文學會選爲亮點研究成果。

5月,中科院國家天文臺研究員朱煒瑋、李��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,對一批低紅移恆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。

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

“受益於FAST超高靈敏度,我們已經將脈衝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

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