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有望解答重大物理學問題,將為探測引力波做貢獻|“中國天眼”發現脈衝星背後意義
發佈時間:2017-10-11


  不到兩個月,“中國天眼”發現了6顆脈衝星。脈衝星的發現並不新鮮,但這是利用我國自己造的射電望遠鏡的首次發現。作為世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡(簡稱FAST)的首批成果,這6顆脈衝星的科學意義顯然不僅於此,通過對脈衝星的研究,有望解答許多重大物理學問題。

  將成為下一個發現脈衝星的重器

  脈衝星由恒星演化和超新星爆發産生,因發射週期性脈衝信號而得名。1967年,第一顆脈衝星被發現,沒過幾年,這一發現就獲得了諾貝爾獎。

  “目前世界上幾乎一半的脈衝星是由澳大利亞64米Parkes望遠鏡發現的,今後FAST將成為下一個發現脈衝星的科學重器。”FAST工程副總工程師李菂研究員説。


李菂研究員在介紹情況

  搜尋和發現射電脈衝星是FAST核心科學目標。銀河系中有大量脈衝星,但由於其信號暗弱,易被人造電磁干擾淹沒,目前只觀測到一小部分。而FAST望遠鏡是發現脈衝星的理想設備,它是目前唯一工作頻段完整覆蓋300MHz-3GHz的射電望遠鏡,工作頻段內具有超高靈敏度,可以清晰地看到每一個脈衝。
  
  早在2015年,FAST就與貴州師範大學合作,聯合搭建了早期科學數據中心,開展較為獨特的漂移掃描,並研發了創新脈衝星搜索數據庫。

  今年8月,FAST開展掃描試觀測。截至解放日報‧上觀新聞記者發稿之際,FAST一共發現了6顆脈衝星,其中最早發現的兩顆分別於8月22日、25日在南天銀道面通過漂移掃描發現,一顆據估算距離地球1.6萬光年,另一顆據估算距離地球約4100光年。最新發現的4顆都是國慶期間剛剛得到認證。

  “通過漂移掃描,同時對中性氫、脈衝星、銀河系結構和中子譜線等進行多科學目標同時掃描巡天觀測,這在世界上是從來沒有實現過的。”李菂研究員説。

  “已發現的脈衝星大多在銀河系,而FAST可以在距離200萬光年的空間有所探索。”國際知名脈衝星天文學家喬治‧郝博思對於FAST未來的科研産出充滿期待。

  毋庸置疑,FAST將開啟利用中國射電望遠鏡産生原創發現的時代。

將對探測引力波做出原創貢獻

  脈衝星的發現對於人類有何意義呢?

  “脈衝星的本質是中子星,中子星的密度非常大,相當於1立方釐米的體積上負載了1億噸的品質。想像一下,把一頭重達5噸的非洲大象或是幾十萬噸的鳥巢,壓縮到中子星的密度,也就和一個圖釘一般大。這就使得脈衝星具有在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。”李菂研究員打了個比方。


圖注:新脈衝星的歸一化平均脈衝輪廓和單脈衝。

  除了密度大,脈衝星的自轉週期極其穩定,它是以相對論的速度轉動,從而可以提供接近原子鐘精度的時鐘信號。物理學意義的測量,實際上到最後就是對時間的測量。未來,FAST將發現更多守時精準的毫秒脈衝星,對其進行研究,會對基礎物理學起到很大的推進作用,有望解答許多重大的物理學問題,包括對引力和廣義相對論的檢測。

  自2016年2月11日引力波被首次直接探測到後,對引力波的探測已成為天文學界的熱門話題。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,可以探測來自超大品質雙黑洞等天體發出的低頻引力波。未來,FAST將對脈衝星計時陣探測引力波做出原創貢獻。

  此外,科學探索越往深空走,脈衝星可以提供一個基準的天空坐標網,從而起到“導航”作用。

  調試進展超過預期及同類設備的國際慣例

  可能有的讀者會有疑問,FAST于去年9月25日竣工,為何要經過近一年的緊張調試,直到最近才有科學産出呢?

  “FAST的調試進展超過了預期及大型同類設備的國際慣例。像這樣的大型科學裝置,一般都需要3到5年調試時間。”FAST調試組組長姜鵬研究員説,FAST突破了射電望遠鏡工程極限,其接收面積相當於30個足球場大小。如此大的設備同步運作多個科學目標是之前沒有過的,只要有一個設備出問題就無法觀測。此外,FAST涉及到幾十家建設單位,不同的設備有不同的串聯和介面方式,工作量很大。

  中國科學院國家天文臺牽頭國內多家單位,在FAST科學和工程團隊密切協作下,今年7月就已實現了FAST指向、跟蹤、漂移掃描等多種觀測模式的順利運行,開始系統的科學産出。

  FAST如今成了貴州一景,科學觀測是否會受到遊客的手機干擾呢?“我們很高興看到當地經濟發展,政府也很支援我們,明確距離FAST5公里範圍之內,不能有任何干擾望遠鏡探測的行為。”姜鵬研究員説,不過由於電磁遮罩在技術上還沒有完全做到,目前手機干擾還是蠻厲害的,接下來將會加強這方面的工作。

  “未來,FAST還將面臨許多挑戰。我們希望把設備故障儘量控制在一個很小的範圍,也希望FAST每天都能工作,  不管是晴天還是雨天,能有更大的科學産出。”姜鵬研究員説。(作者:黃海華)
【來源】上觀新聞