“天眼”問天 潛力無限

“天眼”問天 潛力無限

陽光下(上圖)和落日餘暉中(下圖)的“中國天眼”(檢修期間拍攝)。  新華社記者 歐東衢攝

“中國天眼”全景。  新華社發

今年1月11日,有“中國天眼”之稱的中國500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)通過驗收,具備開放運行條件。而今,“中國天眼”已正式運行超過300天。


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在穩定可靠運行的同時,FAST“勤懇”從事觀測服務。國家天文臺近日表示,FAST已發現脈衝星數量超過240顆。在“天眼”的幫助下,中國科研團隊迅速成爲國際快速射電暴領域的核心研究力量。

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中國科學家取得一系列重大成果

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成爲射電暴領域的核心力量

在廣袤的宇宙中,經常出現短暫而猛烈的無線電波爆發,持續時間通常僅有幾毫秒,卻能夠釋放出相當於地球上幾百億年發電量的巨大能量。2007年,天文學家首次發現了這樣的毫秒電波――快速射電暴,並對其展開了探索研究。

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誰發出了這樣的電波?快速閃現的電波包含了什麼信息?過去十幾年,各國天文學家一直在收集和分析信息。2017年,天文學家捕獲到一個毫秒無線電波爆發,在幾個小時內重複多次。利用世界多臺大射電望遠鏡聯合探測和定位,終於將一個重複爆發的無線電快速閃現源定位到宇宙深處30億光年之外的星系裏。

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“過去,由於沒有自己的大射電望遠鏡,中國天文學家無法拿到第一手材料。在這一領域研究中,大多隻能從事理論研究。”中國科學院院士、國家天文臺臺長常進說。

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隨着“中國天眼”竣工、調試,再到正式運行並對國內天文學家開放,快速射電暴領域的中國力量迅速崛起。

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“中國天眼”聚光面積巨大,電波收集能力超強,是世界最靈敏的射電望遠鏡。其具有精密控制的變形能力,能夠聚焦和穩定跟蹤天體。藉助FAST的最新觀測,中國科學家取得一系列重大成果。

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天文利器助力觀測

終結射電爆發理論爭鋒

對於神祕的毫秒射電爆發,此前的理論研究主要有兩派觀點――一種認爲毫秒射電爆發是由粒子衝撞引起的,另一種觀點則認爲它是粒子在強磁場中穿行產生的。

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國家天文臺首席研究員韓金林說,FAST的觀測結果直接終結了理論爭鋒。“通過對11次射電爆發的高靈敏度偏振信號解析,中國科研人員用直接的觀測結果否定了粒子衝撞的理論。”

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這個具有一錘定音意義的研究來自於北京大學教授、國家天文臺研究員李柯伽團隊。2019年,該團隊利用FAST探測到1例全世界僅有21例的快速射電暴重複爆發FRB180301。

更大的驚喜來自於對11次爆發電波的高靈敏度偏振信號解析。李柯伽說,過去世界上的望遠鏡僅對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。FAST裝配的接收機偏振測量能力非常好,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。

據李柯伽介紹,這7個偏振不僅是變化的,而且呈現出變化的多樣性。這說明,宇宙中的爆發源可能來自緻密星體磁層中的物理過程,而非來自粒子衝撞。

今年8月,北京師範大學林琳博士、北京大學張春風博士、國家天文臺王培博士等聯合研究團隊,利用FAST觀測到銀河系中有一顆已知磁星SRG1935+2154呈現出幾十次伽馬射線爆發。王培說,FAST的測量結果,對研究快速射電暴的起源和物理機制將起到重要的推動作用。

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10月29日和11月4日,上述兩篇研究成果論文在《自然》雜誌發表。在這一前沿領域的研究中,中國科學家已走在了前列。

“有了大國利器,我們在國際天文學領域的地位就不一樣了。在射電天文學領域,我們已經進入第一方隊。”中國科學院院士、FAST科學委員會主任武向平說。

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尋找銀河系外首顆射電脈衝星

測量技術應用前景廣泛

正式“服役”近1年,FAST可以稱得上是“勞模”。國家天文臺公佈的數據顯示,FAST的觀測服務超過5200個機時,超過預期目標近兩倍,累計發現脈衝星數量超過240顆,基於FAST數據發表的高水平論文達到40餘篇。

目前,FAST發現的脈衝星中,包括被稱作“黑寡婦”的新脈衝雙星系統以及有“紅背蜘蛛”之稱的具有掩食現象的毫秒脈衝雙星。藉助FAST的高靈敏度,脈衝星信號掩食現象以及脈衝星信號到達時間延遲等細節變化,都被清晰觀測到。

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武向平說,期望在未來5年,FAST發現脈衝星數量能達到1000顆,甚至能找到銀河系外的第一顆射電脈衝星。

隨着性能的提升,FAST科學潛力逐步顯現。其靈敏度是全球第二大單口徑射電望遠鏡的2.5倍以上,超強靈敏度使其在射電瞬變源方面具有重大潛力,有望在短時間內實現納赫茲的引力波探測。同時它還有能力將我國深空探測及通訊能力延伸至太陽系邊緣,滿足國家重大戰略需求。

FAST的先進測量技術遠不止於望遠鏡本身,在其他領域有重要的應用前景。國家天文臺研究員、FAST總工程師姜鵬介紹,在高精度地礦勘探方面,FAST可以利用慣性組件與衛星導航融合技術,爲重力測量提供高精度的位置和方位姿態基準;在海洋測繪中,採用慣性組件與聲納等測量技術融合,實現海底測繪,爲勘探區作業的機器設備建立高精度的時空和姿態基準。

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觀測申請競爭激烈

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天天摸着望遠鏡做觀測的人,才能發現前沿的問題。只有擁有自己的“大望遠鏡”,才能從觀測角度做出更多原創的、世界領先的成果。

1993年,包括中國在內的10個國家的天文學家提出建造新一代射電望遠鏡的倡議。活躍在國際天文界的南仁東毅然回國,力主中國獨立建造自己的“大望遠鏡”。

此後,從1994年開始選址和預研究,到2016年9月正式啓用,再到今年年初正式開放運行。“中國天眼”從預研到完成花費了26年的時間,近百名科研工作者前赴後繼投入到項目之中,終於實現了從無到有、全球領先的“天眼”之夢。

在工程建設方面,FAST實現了多項自主創新,顯著推動了我國相關產業技術的革新與發展。FAST的全新設計理念開創了建造巨型望遠鏡的新模式。多年來,工程團隊開展了一系列的技術攻關,克服了力學、測量、控制、材料、大尺度結構等諸多技術難題,所有技術指標均達到設計要求。

FAST的反射面相當於30個足球場,是世界最靈敏的射電望遠鏡,大大拓展人類的視野,也使中國的天文學家終於有機會走上世界科學研究的最前沿。

今年2月,在新冠肺炎疫情嚴峻之時,FAST團隊克服困難,正式啓動科學委員會遴選出的5個優先和重大項目,近百名科學家開始使用並處理FAST的科學數據。4月,時間分配委員會開始向國內天文界徵集自由申請項目,目前已經接到170餘份申請,其中外部用戶的比例高達95.7%。

FAST觀測競爭激烈、一“測”難求。國家天文臺臺長、中科院院士常進介紹,目前望遠鏡收到的申請共約5500個小時,但實際獲得批准的僅有1500個機時,即只有不到30%的申請時間能夠得到支持。

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儘管觀測“供不應求”,但FAST仍將面向全球科學家持續開放,讓“中國天眼”成爲天文領域的“世界之眼”。

“未來10年,中國將迎來射電天文發展的黃金時期。”武向平說,爲了發揮更大的科學價值,計劃明年將FAST向全世界科學家開放使用,一起爲探索宇宙的奧祕、推動人類文明的進步作貢獻,構建人類命運共同體。