中國天眼重大成果發布 揭開宇宙毫秒無線電爆發新機制

新京報訊（記者 張璐）11月5日，國家天文臺發布消息稱，中國天眼FAST自今年1月驗收以來，設施運行穩定可靠，近一年已經觀測服務超過5200個機時，超過預期設計目標近2倍，發現脈衝星數量超過240顆。

值得一提的是，中國天眼FAST最新的觀測揭示了宇宙毫秒無線電爆發的新物理，連續有兩篇論文在國際學術期刊《自然》雜誌發表。

FAST望遠鏡全景。圖/FAST工程官網

誰發出了毫秒電波？

廣袤的宇宙中，經常有一股電波襲來，僅僅閃現幾個毫秒。2007年，天文學家在分析澳大利亞64米射電望遠鏡2001年記錄的信號中發現了這樣的毫秒電波。隨後天文學家一直企圖尋求真相：誰發出了電波？如此快速閃現的電波包含了什麼信息？

過去十幾年，天文學家首先要回答的問題是：這些毫秒電波是銀河系內緻密星體發出的，還是宇宙深處的劇烈爆發引起的？經過大約十年的探尋，他們收集了30多個爆發源，在天空幾乎隨機分布，因此可以斷定，這些毫秒閃現源絕大多數不是銀河系內的天體發出的。

2017年，天文學家終於捕獲到一個毫秒無線電爆發，它竟然在幾個小時內重複了幾次。天文學家利用世界多臺大射電望遠鏡聯合探測並利用記錄幾毫秒的信號進行快速定位，終於將一個重複爆發的無線電快速閃現源定位到宇宙深處30億光年之外的一個星系裡。

過去，因為沒有大射電望遠鏡，中國天文學家無法拿到第一手資料，所以在這個前沿領域的研究中，多數是做理論研究。

中國天眼FAST改變了這一局面。

2016年竣工後，經過三年調試，中國天眼FAST現在已經對國內天文學家開放。FAST不僅因為聚光面積巨大而使其電波收集能力超強、成為世界最靈敏的射電望遠鏡，也因為精密控制的變形能力，使它能夠聚焦和穩定跟蹤天體。

快速射電暴的輻射起源

近日，北京大學教授、國家天文臺研究員李柯伽研究團隊利用FAST探測到了一例快速射電暴重複爆FRB180301，並在國際上首次發現該重複爆的輻射具有非常豐富的偏振特徵。這為快速射電暴的輻射起源提供了新的信息，顯示了磁層在快速射電暴輻射機制中的作用。

在2019年嘗試性的開放觀測中，研究團隊希望利用FAST觀測一個澳大利亞2018年3月1日探測到的爆發源FRB180301，看它是否會重複爆發。幸運的是，2019年7月16日的2小時觀測如願探測到了4次爆發，這個結果讓人激動。但隨後在9月11日的4小時觀測竟然什麼信號也沒有探到。

課題組內部研究後，發現原先澳大利亞報告的爆發源位置有偏差，隨後調整了觀測策略，將望遠鏡對準的位置調正，並記錄偏振信號。在2019年10月6日和7日，FAST在6個小時內探測到11次爆發。統計下來，在共計12個小時的觀測時間裡，FAST探測到15次閃現，每次電波閃現的強度曲線也各不相同。這個爆發源與那個30億光年外的爆發源距離類似、無線電爆發率類似，但強度要暗弱很多。

最奇妙的結果來自對11次爆發電波的高靈敏度偏振信號解析。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。

值得一提的是，7個偏振呈現出變化的多樣性，如此變化的偏振在早先的重複暴從來沒有看到。觀測結果明確說明，宇宙中的爆發源可能來自緻密星體磁層中的物理過程。這直接否定了一批國際學者關於爆發來自粒子衝撞的理論，為近幾年兩大門派的理論爭鋒一錘定音。相關論文於北京時間2020年10月29日凌晨發表於《自然》雜誌。

全世界最靈敏的射電望遠鏡

中國天眼FAST由天文學家南仁東於上世紀九十年代提出構想，從預研到完成花費了26年時間，前後四代近百名科研工作者前赴後繼投入到這個項目中。FAST於2016年落成，其反射面相當於30個足球場，成為世界最靈敏的射電望遠鏡，大大拓展了人類的視野，也使中國的天文學家終於有機會走到人類視界最前沿。

FAST的反射面不僅巨大，而且能根據天體的目標位置實時主動調節形狀，30噸的饋源艙要在140米的高空、206米的範圍運動，所有的控制精度要達到毫米級。巨大工程體量、超高精度要求及特殊的工作方式，造就了FAST前所未有的技術挑戰。

為此，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、大尺度結構等領域諸多技術難題。例如，研製了超高耐疲勞特性的鋼索，超過國內、國際相關標準規範的2.5倍；創造性地將衛星定位、慣導和全站儀多種測量技術融合，實現了全天候、大尺度、高精度、高採樣率的饋源支撐系統動態測量。

隨著一系列關鍵技術的突破，FAST於2020年1月11日通過國家驗收，標誌著望遠鏡所有技術指標都已經達到設計要求，並已經具備了開放運行的條件。

FAST對其發現的一顆脈衝星進行的單脈衝觀測。圖/FAST工程官網

發現超過240顆脈衝星

2020年2月，FAST正式啟動科學委員會遴選出的五個優先和重大項目，已經有近兩百名科學用戶開始使用並處理FAST的科學數據。4月，時間分配委員會開始向國內天文界徵集自由申請項目。目前已經接到170餘份申請，申請的總時間約5500個小時，只有25%能得到支持，望遠鏡時間的競爭已經相當激烈。

隨著性能提升，FAST的科學潛力逐步顯現。其超強靈敏度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、捕捉到宇宙大爆炸時期的原初引力波，為研究宇宙大爆炸原初時刻的物理過程提供數據支撐。同時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自今年1月驗收以來，設施運行穩定可靠，近一年已經觀測服務超過5200個機時，超過預期設計目標近2倍，基於FAST數據發表的高水平論文達到40餘篇。

值得一提的是，FAST已經發現脈衝星超過240顆。其中，在球狀星團M92中發現的是一個具有掩食現象的毫秒脈衝雙星，這是在M92中發現的第一顆毫秒脈衝星，密近的軌道和較大的伴星質量預示著伴星的物質正在被脈衝星吸積。藉助FAST的高靈敏度，伴星及其星風的遮擋帶來的脈衝星信號掩食現象和伴星星風導致的脈衝星信號到達時間延遲都被清晰觀測到。具有這些特殊現象的脈衝雙星在天文學中稱為「紅背蜘蛛」系統。該發現被美國天文學會選為亮點研究成果。

新京報記者 張璐

編輯 張暢