發現脈沖星240余顆 有力支撐高水平研究
“天眼”問天 潛力無限
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。
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已發現脈沖星數量超過240顆。在“天眼”的幫助下，中國科研團隊迅速成為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
成為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，卻能夠釋放出相當于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，并對其展開了探索研究。
誰發出了這樣的電波？快速閃現的電波包含了什么信息？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，在幾個小時內重復多次。利用世界多臺大射電望遠鏡聯合探測和定位，終于將一個重復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里。
“過去，由于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，大多只能從事理論研究。”中國科學院院士、國家天文臺臺長常進說。
隨著“中國天眼”竣工、調試，再到正式運行并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。
“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。借助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
對于神秘的毫秒射電爆發，此前的理論研究主要有兩派觀點——一種認為毫秒射電爆發是由粒子沖撞引起的，另一種觀點則認為它是粒子在強磁場中穿行產生的。
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沖撞的理論。”
這個具有一錘定音意義的研究來自于北京大學教授、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例的快速射電暴重復爆發FRB180301。
更大的驚喜來自于對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致密星體磁層中的物理過程，而非來自粒子沖撞。
今年8月，北京師范大學林琳博士、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。
10月29日和11月4日，上述兩篇研究成果論文在《自然》雜志發表。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沖星
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”。國家天文臺公布的數據顯示，FAST的觀測服務超過5200個機時，超過預期目標近兩倍，累計發現脈沖星數量超過240顆，基于FAST數據發表的高水平論文達到40余篇。
目前，FAST發現的脈沖星中，包括被稱作“黑寡婦”的新脈沖雙星系統以及有“紅背蜘蛛”之稱的具有掩食現象的毫秒脈沖雙星。借助FAST的高靈敏度，脈沖星信號掩食現象以及脈沖星信號到達時間延遲等細節變化，都被清晰觀測到。
武向平說，期望在未來5年，FAST發現脈沖星數量能達到1000顆，甚至能找到銀河系外的第一顆射電脈沖星。
隨著性能的提升，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于望遠鏡本身，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，為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，采用慣性組件與聲納等測量技術融合，實現海底測繪，為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
明年將向全世界開放
天天摸著望遠鏡做觀測的人，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”。
此后，從1994年開始選址和預研究，到2016年9月正式啟用，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后繼投入到項目之中，終于實現了從無到有、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的反射面相當于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于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，正式啟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并處理FAST的科學數據。4月，時間分配委員會開始向國內天文界征集自由申請項目，目前已經接到170余份申請，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，但實際獲得批準的僅有1500個機時，即只有不到30%的申請時間能夠得到支持。
盡管觀測“供不應求”，但FAST仍將面向全球科學家持續開放，讓“中國天眼”成為天文領域的“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，為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，一起為探索宇宙的奧秘、推動人類文明的進步作貢獻，構建人類命運共同體。
劉 峣