“中国天眼”4年迎成果井喷

“中国天眼”FAST望远镜实景。中科院国家天文台供图

来源于磁层的快速射电暴偏振多样性。李柯伽供图

　　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10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，将这个重复爆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，大大拓展了人类的视野，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》。

　　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个小时观测过程中，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过的。

　　“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作出了非常大的牺牲。”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作着贡献。

　　2020年2月，FAST正式启动了科学委员会遴选出的5个优先和重大项目，已经有近200家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的科学潜力逐步显现。

　　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。

　　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。

　　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”。

　　中青报·中青网记者 邱晨辉 来源：中国青年报