“中国天眼”发现脉冲星,实现我国该领域“零的突破”。“中国天眼”发现脉冲星,实现我国该领域“零的突破”。
“天眼”上空星光灿烂。图片由国家天文台提供“天眼”上空星光灿烂。图片由国家天文台提供

  9月10日上午,有相关媒体报道称,国家天文台宣布建在平塘的FAST发现2颗脉冲星,此消息让大家激动不已。不过,10月10日下午2点过,本报记者致电中科院国家天文台研究员FAST工程副总工程师李菂得知,国家天文台宣布FAST发现6颗脉冲星,而不是之前报道的2颗。但值得一提是:这是中国人首次利用自己独立研制的射电望远镜发现的脉冲星。

  发现脉冲星并非偶然

  2016年9月25日,有着“超级天眼”之称的500米口径球面射电望远镜(FAST)在平塘落成启用后,便吸引着全世界的目光。

  这个超级“大锅”能巡视宇宙中的中性氢、发现新脉冲星、主导国际甚长基线网、探测星际分子、寻找地外文明等,为我国开展“暗物质”和“暗能量”本质、宇宙起源和演化、太空生命起源和寻找地外文明等研究活动提供重要支持。

  10月10日下午2点,本报记者电话采访到了中科院国家天文台研究员FAST工程副总工程师李菂。他说,这次发现脉冲星并非偶然,而是从2015年开始,筹备、规划,2016年进入试运行、试调试阶段,经过大量数据分析处理以及远程观测,最终在已发现的2700颗脉冲星中,另外发现了未知的6颗脉冲星。

  李菂在接受其他媒体采访时也表示,这个发现说明FAST的调试进展非常优秀,超出了预期和国内同类大型设备的惯例。其实它真正的意义是开启了世界的科学家用中国原创的天文设备,系统作出发现的一个时代。未来,争取把脉冲星的发现,以及未来其它星系的发现,变成一个系统的、日常化的研究。

  不过,也有细心的市民发现,10日上午有媒体报道称,国家天文台宣布FAST发现2颗脉冲星,而之后又宣布发现了6颗,这究竟咋回事呢?

  国家天文台脉冲星搜索组王培告诉记者,这期间,FAST确实共发现了未知的6颗脉冲星,在9月中旬发现了2颗数据比较充分的脉冲星,可以看到明显的轮廓图,直到最近半月,他们继续通过远程监测,又发现了另外4颗脉冲星,只是目前其参数还需要进一步观测和更新,所以,当时只宣布了2颗轮廓明显的脉冲星供大家分享。

  脉冲星离我们有多远

  那么,新发现的脉冲星到底离我们有多远?李菂说,FAST团组利用位于贵州师范大学的FAST早期科学中心进行数据处理,探测到6颗优质脉冲星候选体,经国际合作(如利用澳大利亚64米Parkes望远镜),进行后随观测认证,目前已通过系统认证2颗脉冲星。

  一颗编号J1859-0131(又名FP1-FAST pulsar),自转周期为1.83秒,据估算距离地球1.6万光年。由FAST于今年8月22日在南天银道面通过漂移扫描发现。

  另一颗编号J1931-01(又名FP2),自转周期0.59秒,据估算距离地球约4100光年。由FAST于今年8月25日发现。

  尽管在国际上发现普通的脉冲星已经不是新闻,但值得骄傲的是,这是中国人首次利用自己独立研制的射电望远镜发现脉冲星,具有划时代的意义。

  “天眼”到底有多厉害

  事实上,才“成长”一年多的“天眼”(FAST),在国际天文界大概只能称为“小毛孩”。因为前有号称“地面最大的机器”德国埃菲尔斯伯格100米口径望远镜,还有人类20世纪十大工程之首的美国阿雷西博350米口径射电望远镜。

  但是,与德国伯格100米望远镜相比,“天眼”的灵敏度提高了约10倍;与美国阿雷西博350米望远镜相比,“天眼”的综合性能也提高了约10倍。“天眼”能够接收到137亿光年以外的电磁信号,观测范围可达宇宙边缘。

  也就是这个“小毛孩”(FAST),如今却是世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜!

  而且,就在他调试阶段,就发现了两颗新脉冲星,这着实让国际天文界刮目相看。也可以说,(FAST)的调试进展超过预期及大型同类设备的国际惯例。

  脉冲星对未来研究有多重要

  大家可能好奇,脉冲星是什么?脉冲星由恒星演化和超新星爆发产生,它像茫茫宇宙中的灯塔,发射出周期性脉冲信号,因而得名脉冲星。脉冲星的自转周期极其稳定,成为人类测量宇宙时空的超高精准度时钟。

  例如,我们在地球上开车,依靠天上的卫星给出定位。而宇宙浩瀚,一旦飞船飞进宇宙深处,望远镜、卫星不能直接观测时,就需要依靠脉冲星提供的准确时间,测算出某时某刻飞船抵达了什么位置。

  另外,脉冲星因为具有在地面实验室无法实现的极端物理性质,其准确的时钟信号为引力波探测、航天器导航等重大科学及技术应用提供了理想工具。

  此外,通过对快速旋转的射电脉冲星进行长期监测,选取一定数目的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。

  与此同时,对脉冲星的深入研究还可能衍生出脉冲星计时、脉冲星导航等应用。

  新脉冲星是这样发现的

  据新华社电 搜寻和发现脉冲星是FAST核心科学目标。银河系中有大量脉冲星,但由于其信号暗弱,易被人造电磁干扰淹没,目前只观测到一小部分。2016年9月竣工的具有极高灵敏度的FAST望远镜是发现脉冲星的理想设备。

  国家天文台台长严俊说,发现脉冲星初步展示了FAST自主创新的科学能力,开启了中国射电波段大科学装置系统产生原创发现的激越时代。

  FAST的超高灵敏度令国际同行惊叹。FAST调试的进展不仅超过了大型同类设备的国际惯例,也远远超过了中国科学家的预期。

  国家天文台研究员、“天眼”工程副经理彭勃说,国外同类大型射电望远镜建成后一般需要3年至5年的调试期,FAST采用主动反射面,控制参数更为复杂,调试了一年就获得初步成果,确实令人兴奋,这要归功于整个团队夜以继日的奋战。

  “在方圆十里无人烟的喀斯特深山里,我们就像一群过着田园生活的蓝精灵,每天陪伴FAST守望星空。”FAST调试运行团队里为数不多的女性工程师孙纯说。

  “FAST口径大,测量距离远,精度要求高,动态参数多,国外也没有先例可以借鉴,实时测量精度要求在3毫米以内,而实际上大家都不局限于3毫米的要求,总是追求精度越高越好。”测控系统工程师宋本宁说。

  李菂说,FAST调试过程中,总控机房是二十四小时无休的。工程师和科学家在争论中擦出了火花,白天的工程调试和夜间的科学试观测被有机结合。

  他说,漂移扫描方式在脉冲星搜索上很少被运用,但中国科学家自2015年起就开始搭建FAST早期科学数据中心,开展较为独特的漂移扫描,并研发创新了脉冲星搜索数据库。

  “调试期间只能用漂移扫描这种方式,为此科研人员需要重新设计软件,数据处理上也要付出更多劳动,但最终结果是令人振奋的——FAST每次扫描都能获得一到两个高质量的脉冲星候选体。”李菂说。

  1967年,英国女博士乔瑟琳·贝尔发现了人类历史上第一颗脉冲星。由于缺乏先进的大型射电望远镜,在发现脉冲星方面,中国人落后了整整50年。

  现在,灵敏度和巡天速度超群的FAST吸引了越来越多的国际天文学专家,在SKA射电望远镜网络建成前,将迎来中国射电天文学10至20年的“黄金期”。

  FAST调试阶段在脉冲星观测领域已小试牛刀,未来还将在中性氢观测、谱线观测、寻找可能的星际通讯信号等方面大放异彩。

  国家天文台美国访问学者马尔科·克尔乔表示,FAST将通过巡视宇宙中的中性氢,绘制出最新最大的标准宇宙天图,除非人类再建造更大的望远镜才能超越。所以中外有经验的专家都希望参与这一工作计划,来确保FAST做的观测和研究是最精确的。

  目前人类已发现2700多颗脉冲星,几乎都位于银河系内。不少中外科学家相信,FAST有望第一个捕获河外星系脉冲星。实际上,FAST已经在为观测河外星系脉冲星做技术上的准备,最早于明年初进行尝试。

  乔瑟琳·贝尔今年早些时候访问中国并参观了FAST,她相信FAST能发现更多微弱、遥远、独特的脉冲星,希望FAST可以发现围绕黑洞旋转的脉冲星。

  李菂说,能否观测到脉冲星-黑洞系统,有物理机制的挑战和运气成分存在,但随着FAST进一步验证、完善其科学观测模式,它的性能指标进一步优化至100%,中国科学家肯定不会放弃在每一个领域寻求突破的机会。

  关于脉冲星你不可不知的10条知识

  ◆什么是脉冲星?

  我是脉冲星,高速自转的中子星,是巨大的恒星爆炸后所形成的星体。宇宙里除了黑洞以外,基本上就属我的家族最“牛”。

  ◆脉冲星“牛”在哪?

  我是星星里绝对的健身高手,肌肉最发达,密度极高。我每个立方厘米相当于地球上一万艘万吨巨轮的质量压缩起来。我身上一块方糖大小的肌肉,重达几亿吨。

  ◆脉冲星转得有多快?

  地球自转一周要24小时,而我的自转周期要按秒计算,最快只要万分之几秒!怎么样,被转晕了没? 也正因为这样,我会发射周期性的射电脉冲。

  ◆脉冲星还有什么绝活?

  我每秒旋转能达到上万次,是宇宙中最精确的时钟。我的磁场达到万亿高斯,比地球磁场高万亿倍。

  ◆人类发现了多少颗脉冲星?

  据不完全统计,人类发现的脉冲星家族已经有2700多个成员。

  ◆中国人之前为何没发现脉冲星?

  因为“中国天眼”FAST才1岁,而“美国天眼”Arecibo已经……咳、咳……54岁了。

  ◆脉冲星家族首批“中国星”有多远?

  由科学家借助“中国天眼”发现并通过国际认证的两颗脉冲星,一颗编号为J1859-0131,自转周期1.83秒,距地球约1.6万光年;另一颗编号为J1931-01,自转周期为0.59秒,距地球约4100光年。

  ◆脉冲星家族首批“中国星”由谁发现?

  中科院国家天文台射电天文研究部首席科学家李菂带领他的团队,分别在今年8月22日和8月25日利用“天眼”在南天银道面通过漂移扫描发现,并在9月份获国际认证。

  ◆未来脉冲星家族要增加新成员谁说了算?

  若说过去50年脉冲星家族新成员的发现西方发达国家说了算的话,那未来20年很大部分就要指望中国了。“中国天眼”有望发现更多奇妙、新型的脉冲星系统,探索爱因斯坦提出的地球上无法验证的各种假说。

  ◆中国为何有此底气?

  因为在“中国天眼”之前,地球上所有望远镜都只能看见银河系里的脉冲星。

  随着“中国天眼”加入射电望远镜家族,科学家预测人类发现的脉冲星家族有望扩员一倍,而且会看见河外星系的脉冲星,或者看见围绕黑洞的脉冲星。

  而“中国天眼”在20年内都有望保持世界一流望远镜的地位。

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