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脈衝星家族首次有了“中國星”

脈衝星家族首次有了“中國星”

中國科學院國家天文臺10日宣佈,被譽為「中國天眼」的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)經過一年緊張調試,已探測到數十個優質脈衝星候選體,其中6顆通過國際認證。這是中國首次使用自主設備發現新脈衝星,專家表示,這初步展示了FAST自主創新的科學能力,開啟了中國射電波段大科學裝置系統產生原創發現的時代,而澳洲專家亦表示,FAST的調試以及逐漸產出成果,是目前國際天文學界最激動人心的事件之一。未來,FAST將有望發現更多守時精準的毫秒脈衝星,對脈衝星計時陣探測引力波做出原創貢獻。

FAST是中國「十一五」重大科技基礎設備之一,於2016年9月25日竣工進入試運行、試調試階段。它位於貴州省平塘縣喀斯特窪地之中,接收面積相當於30個足球場大小,是目前世界最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡。

FAST獻首批重大成果

國家天文臺台長嚴俊介紹,經過一年的調試,FAST實現了指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行。調試進展超過預期和同類國際設備,此次發現的脈衝星,就是首批重大成果。

FAST工程副總工程師李菂介紹,目前已探測到數十個優質脈衝星候選體,目前已有6顆脈衝星通過系統認證。

搜尋和發現射電脈衝星是FAST核心科學目標。脈衝星由恆星演化和超新星爆發產生,具有地面實驗室無法實現的極端物理性質,是理想的天體物理實驗室。

在這6顆脈衝星中,有兩顆是今年8月22日、25日在南天銀道面通過漂移掃描發現。其中一顆編號J1859-0131(又名FP1-FAST pulsar #1),自轉週期為1.83秒,據估算距離地球1.6萬光年;另一顆編號J1931-01(又名FP2),自轉週期0.59秒,據估算距離地球約4100光年。

銀河系中有大量脈衝星,但其信號闇弱,易被人造電磁干擾淹沒,目前只觀測到一小部分。具有極高靈敏度的FAST望遠鏡是發現脈衝星的理想設備,李菂表示,FAST在調試初期發現脈衝星,初步展示了FAST自主創新的科學能力,開啟了中國射電波段大科學裝置系統產生原創發現的時代。

脈衝星組陣列可測引力波

對於公眾普遍關注的引力波話題,李菂告訴記者, 通過對快速旋轉的射電脈衝星進行長期監測,選取一定數目的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。李菂說,FAST將有希望發現更多守時精準的毫秒脈衝星,對脈衝星計時陣探測引力波做出原創貢獻。此外,準確的時鐘信號也能為航天器導航等重大科學及技術應用提供理想工具。

澳洲科學及工業研究院Parkes望遠鏡科學主管喬治.霍布斯在發布會現場表示,FAST的調試以及逐漸產出成果,是目前國際天文學界最激動人心的事件之一。

“天眼”未來還會發現什麼?

4100光年,1.6萬光年。坐落在貴州群山之中的“中國天眼”,剛一“睜眼”就“看見”了離地球如此遙遠的2顆脈衝星。

10日,中國科學院國家天文臺宣佈,500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)經過一年緊張調試,已實現指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行,並確認多顆新發現脈衝星。

脈衝星家族首次有了“中國星”

這是我國的天文設備第一次發現脈衝星,實現了該領域“零的突破”。自1967年發現第一顆脈衝星以來,過去的50年裏,人類發現的脈衝星家族至少有2700個成員了。

國家天文臺公佈了這2顆脈衝星的具體資訊:前者自轉週期為1.83秒,距離地球約1.6萬光年,後者自轉週期為0.59秒,距離地球約4100光年,分別由“中國天眼”於今年8月22日、25日在南天銀道面通過漂移掃描發現。

這只是“中國天眼”的部分發現。“天眼”工程副總工程師李菂介紹,“天眼”調試進展超過預期,目前已探測到數十個優質脈衝星候選體,其中6顆通過國際認證。

據科學家介紹,脈衝星是一種高速自轉的中子星,由恒星演化和超新星爆發產生。它的密度極高,每立方釐米重達上億噸,一塊方糖大小就相當於地球上一萬艘萬噸巨輪的重量。脈衝星自轉速度很快、自轉週期精確,是宇宙中最精准的時鐘。正因如此,脈衝星會發射一斷一續的週期性脈衝信號,就好比轉動的燈塔發出忽明忽暗的光。

這一特殊“本領”,讓脈衝星在計時、引力波探測、廣義相對論檢驗等領域具有重要應用。李菂說,脈衝星具有在地面實驗室無法實現的極端物理性質,對其進行研究有望得到許多重大物理學問題的答案。譬如,脈衝星的自轉週期極其穩定,準確的時鐘信號為引力波探測、航天器導航等重大科學及技術應用提供了理想工具。

“通過對快速旋轉的射電脈衝星進行長期監測,選取一定數目的脈衝星組成計時陣列,就可以探測來自超大品質雙黑洞等天體發出的低頻引力波。”李菂說。

澳大利亞科學及工業研究院Parkes望遠鏡科學主管喬治·霍布斯說,“天眼”的調試以及逐漸產出成果,是目前國際天文學界最激動人心的事件之一。

調試一年就出成果,告慰“天眼之父”南仁東

“天眼”的最初構想來自已故天文學家南仁東。從1994年提出設想,到2016年正式啟用,22年間,南仁東和他的團隊全力推動著這個看似不可思議的世界級專案。

設計和結構均無先例可循,“天眼”前期調試遇到巨大困難。“天眼”工程總工藝師王啟明說,各系統一開始專注於設備跟蹤維護,系統內調試看起來都沒問題,但各系統聯調後,系統間的通信、演算法的統一、安全協調等一系列問題逐步暴露出來。

聯調期間,“天眼”人的工作狀態基本上是白天分頭幹活,晚上集中開會商討,連夜改程式,第二天又接著試新方案,反復調到最優。在“天眼”落成啟用後的380個日日夜夜裏,除非停電,總控機房總是二十四小時無休。白天,工程團隊和施工方的人員集中進行調試;晚上,科研人員會把面型固定好,讓其指向一個特定的天區,通過地球自轉,讓天空從望遠鏡上方漂移掃描過去。

李菂說,漂移掃描方式在脈衝星搜索上很少被運用,但調試期間只能用這種方式,為此,科研人員不僅需要重新設計軟體,數據處理上也要付出更多勞動,但最終結果是令人振奮的,“天眼”每次掃描都能獲得一到兩個高質量的脈衝星候選體。

國家天文臺研究員、“天眼”工程副經理彭勃說,國外同類大型射電望遠鏡建成後一般需要3年至5年的調試階段,而“天眼”調試了一年就獲得了初步成果。

“天眼”會尋找“外星人”,將主導未來宇宙天圖

中外科學家都期待“天眼”的發現從量變轉為質變。“天眼”若能第一個捕獲銀河外星系脈衝星,將具有開創性意義。李菂和他的研究小組已經在為觀測銀河外星系脈衝星做技術上的準備,最早於明年初會進行嘗試。

首位發現脈衝星的天文學家喬瑟琳·貝爾今年早些時候參觀了“中國天眼”,她期待這座世界最大的射電望遠鏡能發現更多微弱、遙遠、獨特的脈衝星,包括發現圍繞黑洞旋轉的脈衝星。

對於觀測範圍可達已知宇宙邊緣的“天眼”來說,發現脈衝星只是使命之一,未來,它還將在中性氫觀測、譜線觀測、尋找可能的星際通訊信號等方面大放異彩。

宇宙大爆炸學說認為,中性氫是宇宙中幾乎與大爆炸同齡的“老人家”,觀測和研究中性氫的分佈,能幫助科學家進一步弄清銀河系和銀河外星系的結構,解開宇宙大爆炸等宇宙起源和演化之謎。“‘中國天眼’將通過巡視宇宙中的中性氫,繪製出最新最大的標準宇宙天圖。”國家天文臺“天眼”專案高級博士後Marko Krco(馬可)說。

“中國天眼”甚至還能“監聽”宇宙中可能存在的外星文明發出的無線電波。澳大利亞科學及工業研究院Parkes望遠鏡科學主管喬治·霍布斯說,Parkes望遠鏡目前有20%的時間分配給了“尋找外星人”,但仍一無所獲,“中國天眼”看得更遠,說不定將來會有令人振奮的消息。

根據鳳凰、中新網等綜合采編

【文章觀點僅代表個人觀點】

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