中國「天眼」驗收不到一年,是如何快速精準發現脈衝星?

2020-12-24 魅力科技life

近日,據報導,自今年1月驗收以來,「中國天眼」(FAST)設施運行穩定可靠,取得一系列重大科學成果,發現脈衝星數量超過240顆,基於「中國天眼」數據發表的高水平論文達到40餘篇。藉助「中國天眼」,我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。

中國「天眼」可以說是我國「十三五」規劃中最顯著的科技成果之一,也是我國深空探測及通信能力延伸至太陽系邊緣或更遠的一種重大戰略需求。

一、中國「天眼」的建造歷程。

中國「天眼」位於貴州省黔南布依族苗族自治州平塘縣克度鎮,是我國「十三五」規劃中的驗收的科技成果之一,儘管是在「十三五」規劃時期驗收的,可中國「天眼」的計劃提出,已有二十幾年的歷程了。

中國「天眼」最早於1994年提出構想——建造新一代射電「大望遠鏡」,由中國科學院國家天文臺主導建設,從預研到建成歷時22年,於2016年落成啟用。2016年9月25日,正式啟用,開始接收來自宇宙深處的電磁波,「天眼」方圓5公裡將成為「靜默區」。

而從啟用到成功驗收,也差不多歷時三年多,於2020年1月11日,500米口徑球面射電望遠鏡順利通過國家驗收,投入正式運行,這也標誌著中國正式建成了新一代500米口徑球面射電望遠鏡。

截至2020年11月,中國「天眼」取得一系列重大科學成果,發現脈衝星數量超過240顆,而且近1年來,「中國天眼」已觀測服務超過5200個小時,超過預期設計目標近2倍,甚至地外文明的搜索也將正式啟動,為深空探測提供重大戰略需求。

二、什麼是脈衝星,發現脈衝星到底有何意義?

脈衝星,於1967年首次被發現,又稱波霎,是中子星的一種,是一種會周期性發射脈衝信號的星體,直徑大多為20千米左右,自轉極快。同時,因為脈衝星發射的射電脈衝的周期性非常有規律,這很容易讓科學家猜測,這是外星文明存在的證據,儘管後來證實,這不過是脈衝星正在快速自轉的中子星,並不是所謂的外星文明,但依舊不能阻止人的幻想。

而從1967年首次發現脈衝星以來,全球已先後將近發現了2000多顆脈衝星,也為天文學家提供了很好的研究對象。

不是證明外星文明存在的脈衝星,為何還會有那麼多天文機構追尋它呢,發現脈衝星到底又有何意義?

脈衝星是一種特殊的存在,脈衝星具有強磁場,運動的帶電粒子發出同步輻射,形成與中子星一起轉動的射電波束,而中子星的自轉軸和磁軸一般並不重合,每當射電波束掃過地球時,就接收到一個脈衝,地球上的射電望遠鏡或天文觀察臺,便是這樣發現脈衝星的存在。

脈衝星在基礎科學研究領域具有極其重要的學術意義。

首先是廣義相對論的驗證,由於脈衝星的大質量和小半徑,其表面引力場非常強,所以不能忽略廣義相對論效應的存在,這使得脈衝星成為強引力場研究的天然實驗室。

其次,有人說,脈衝星是由超新星蹋縮而形成的,通過研究脈衝星的存在及過程,有助於我們了解星體蹋縮時發生了什麼情況。

同時,對脈衝星進行觀測,不僅能夠研究脈衝星自身的極端物理狀態,還能對星際介質、銀河系磁場、引力波等目標進行研究,有助於我們了解宇宙,揭開宇宙的形成之謎。

三、中國「天眼」如何精準發現脈衝星?

掃描漂移。因為脈衝星具有高速旋轉、周期性發射脈衝輻射,而掃描漂移,就有種守株待兔的方式觀測,射電望遠鏡固定不動地指向天頂,然後等著天體東升西落,自己運動到望遠鏡的視野裡面,當然,這個視野是有限的,一般都是只能觀測到某個赤緯,而隨著時間的推移,這個赤緯上的天體就會依次被望遠鏡所觀測到。

消色散。脈衝星發出的脈衝在到達地球之前,會受到銀河系空間中的星際介質影響,發生「色散」。色散效應會導致脈衝星高頻的電磁波比低頻的電磁波先到達地球。這一現象在圖三Vela的數據中稍微能看出來。

周期性。脈衝星的周期性給天文觀察提供了很好的方式,同時,又因單脈衝、雙脈衝等特性,也為觀測提供了一定的依據。

正是因為脈衝星有著這些特點,而中國「天眼」也是抓住這些脈衝星或其他天體的特點,很容易地便將「天眼」視野中的脈衝星搜尋到。

可以說,中國「天眼」有著超強靈敏度,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、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。也正因這樣,中國「天眼」才可以在如此短的時間內,取得驚人的成果。

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