“天眼”遙望脈沖星

文_張承民 圖_當(dāng)代貴州全媒體記者 / 李森

截至7月30日，“中國天眼”FAST已經(jīng)探測(cè)到59顆優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中已經(jīng)有43顆得到國際認(rèn)證。中國天眼FAST將引領(lǐng)世界進(jìn)入一個(gè)萬顆脈沖星研究、刷新宇宙認(rèn)知的新時(shí)代。

2017年10月，中國科學(xué)院科學(xué)傳播局和國家天文臺(tái)聯(lián)合發(fā)布了我國500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）取得的首批科研成果，其中包括新發(fā)現(xiàn)兩顆脈沖星，這是我國射電望遠(yuǎn)鏡首次新發(fā)現(xiàn)脈沖星，實(shí)現(xiàn)了中國天文學(xué)在該領(lǐng)域零的突破。

截至7月30日，F(xiàn)AST已經(jīng)探測(cè)到59顆優(yōu)質(zhì)脈沖星候選體，其中已經(jīng)有43顆得到國際認(rèn)證。不僅如此，今年2月，F(xiàn)AST探測(cè)到有史以來最暗弱的毫秒脈沖星，這顆脈沖星是其他國家很多射電望遠(yuǎn)鏡沒有看到的。這充分證明FAST在探測(cè)靈敏度方面的巨大優(yōu)勢(shì)。

審視中國天眼取得這些基本成就的背后，有哪些值得回味的話題？未來國際脈沖星研究將進(jìn)入一個(gè)怎樣的時(shí)代？本文借此窺視一斑。

遠(yuǎn)離電磁污染的靜默區(qū)

天眼地處貴州黔南的喀斯特洼地，這是得天獨(dú)厚的無線電屏蔽安靜山谷，使得射電噪聲干擾降低到最低限度，這在全球日益電磁泛濫的時(shí)代，如此優(yōu)良的天然低電磁環(huán)境可謂難能可貴。青山綠水、電磁寧靜、強(qiáng)制保護(hù)，這是FAST望遠(yuǎn)鏡成為一流大科學(xué)裝置的必要條件。

由于射電望遠(yuǎn)鏡易受外界電磁輻射干擾，對(duì)電磁波環(huán)境要求極高。2013年貴州省人民政府審議通過《貴州省500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡電磁波寧靜區(qū)保護(hù)辦法》，之后又通過了《黔南布依族苗族自治州500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡電磁波寧靜區(qū)運(yùn)行環(huán)境保護(hù)條例》，覆蓋貴州3個(gè)縣和廣西3個(gè)市，包括貴州黔南州平塘、羅甸、惠水三個(gè)縣以及廣西壯族自治區(qū)柳州、河池、白色三個(gè)市，這標(biāo)志著全國首部射電天文望遠(yuǎn)鏡電磁寧靜區(qū)運(yùn)行環(huán)境保護(hù)法規(guī)的生效。

以平塘縣大窩凼射電望遠(yuǎn)鏡臺(tái)址為圓心，在半徑5公里區(qū)域內(nèi)，嚴(yán)禁設(shè)置、使用無線電臺(tái)，嚴(yán)禁建設(shè)產(chǎn)生輻射電磁波的設(shè)施；在半徑5至30公里區(qū)域內(nèi)，經(jīng)論證對(duì)射電望遠(yuǎn)鏡正常運(yùn)行構(gòu)成干擾的設(shè)施不得建設(shè)。同時(shí)，任何單位和個(gè)人不得占用國家為開展射電天文業(yè)務(wù)所劃分的頻率。貴州省嚴(yán)格執(zhí)行了天眼周邊的無線電保護(hù)條例，為保障大射電正常運(yùn)行不受干擾，關(guān)閉了影響射電環(huán)境的基站、礦山、企業(yè)。設(shè)立旅游項(xiàng)目適度開發(fā)區(qū)，嚴(yán)格控制“中國天眼”每天2000人次的最大承載量，嚴(yán)禁游客攜帶任何電子產(chǎn)品進(jìn)入保護(hù)區(qū)，嚴(yán)禁工作人員攜帶任何干擾設(shè)備到靜默區(qū)。

如此一來，天眼周邊就成了名副其實(shí)的“凈土”，這片青山綠水遠(yuǎn)離了電磁污染。

提升測(cè)量精度

大窩凼的大氣不均勻性及溫度、濕度分布極特殊，對(duì)于望遠(yuǎn)鏡反射面的活動(dòng)面板和接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量會(huì)產(chǎn)生影響。數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)AST現(xiàn)場(chǎng)的折光系數(shù)達(dá)到了1.8左右，遠(yuǎn)大于全站儀測(cè)量系統(tǒng)默認(rèn)的折光系數(shù)0.13，所以必須進(jìn)行基準(zhǔn)修正。

經(jīng)過研究人員不斷的調(diào)試，測(cè)量精度不斷優(yōu)化和提升，望遠(yuǎn)鏡的性能也得到明顯改善。目前FAST可以實(shí)現(xiàn)完美的聚焦，完成天眼的視力校正，漂移觀測(cè)的指向精度已經(jīng)達(dá)到10角秒水平，可以實(shí)施脈沖星觀測(cè)。

目前FAST安裝了19波束接收機(jī)，已經(jīng)完成安裝調(diào)試。它可以將望遠(yuǎn)鏡的視場(chǎng)擴(kuò)大19倍，從而大幅地提升望遠(yuǎn)鏡的巡天效率，預(yù)期可以發(fā)現(xiàn)更多脈沖星。實(shí)現(xiàn)FAST設(shè)計(jì)的靈敏度，就要知道反射面的精度、饋源的控制精度、系統(tǒng)噪聲要控制精度、每一部分還分解到下一級(jí)精度，例如測(cè)量精度、控制精度、制作精度、安裝精度等等。這些精度的提升是望遠(yuǎn)鏡做出世界一流發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

一個(gè)天文研究新時(shí)代的來臨

自1967年發(fā)現(xiàn)脈沖星以來，50年間已取得了許多矚目的成就。天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到2800多顆射電脈沖星，至今已積累了一大批寶貴的資料，同時(shí)也存在不少現(xiàn)象和問題還沒有從原理上認(rèn)識(shí)清楚。

隨著FAST大型裝置的成功運(yùn)轉(zhuǎn)，人類必將逐步揭示脈沖星所帶來的一系列宇宙新問題。截至目前，天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到18對(duì)雙中子星系統(tǒng)，這是驗(yàn)證愛因斯坦引力波預(yù)言的天然實(shí)驗(yàn)室。但還沒有發(fā)現(xiàn)脈沖星—黑洞雙星系統(tǒng)，F(xiàn)AST有望在未來探測(cè)到這類奇特雙星，由此高精度檢驗(yàn)愛因斯坦理論和揭示宇宙奧秘。

脈沖星的研究涉及到許多學(xué)科的基本問題，它與現(xiàn)代物理中的等離子體物理、廣義相對(duì)論、基本粒子、核物理、超導(dǎo)超流、中微子和引力波等密切有關(guān)。另外，脈沖星在恒星演化和終結(jié)的研究中也占有特殊的地位，所以脈沖星研究支撐著多信使、多波段、多學(xué)科、多裝置的全球龐大科學(xué)體系，成為當(dāng)今天體物理學(xué)最活躍的領(lǐng)域之一。

預(yù)計(jì)未來FAST可以發(fā)現(xiàn)5000顆新脈沖星， 加上國際望遠(yuǎn)鏡的共同努力，一個(gè)萬顆脈沖星新時(shí)代正在到來，人類認(rèn)識(shí)宇宙將邁上新臺(tái)階。圖為中國“天眼FAST”。

已知的毫秒脈沖星最快自旋周期是1.396 毫秒，低于10毫秒的脈沖星有300多顆。根據(jù)理論計(jì)算，最快的脈沖星周期可以達(dá)到不足1毫秒，如果能探測(cè)到這類亞毫秒脈沖星，其質(zhì)量將較大、半徑較小，使得其物態(tài)很有可能是夸克物質(zhì)，這將是核力起主導(dǎo)作用的一種新天體。還有，銀河系以外脈沖星的探測(cè)也將作為FAST未來觀測(cè)的重點(diǎn)，隨著FAST射電望遠(yuǎn)鏡靈敏度的提高，探測(cè)其他星系短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨脈沖信號(hào)脈沖星也成為可能，這對(duì)于研究脈沖星奇特的輻射機(jī)制非常有利。另外，對(duì)于一些年老的脈沖星，其輻射的流量較低，星體自旋周期大于10秒，這是難于發(fā)現(xiàn)的一類脈沖星。在FAST高靈敏度的前提下，探測(cè)年老脈沖星變?yōu)榭赡?，這對(duì)于研究脈沖星晚期演化特性是至關(guān)重要的。預(yù)計(jì)未來FAST可以發(fā)現(xiàn)到5000顆新脈沖星，加上國際望遠(yuǎn)鏡的共同努力，一個(gè)萬顆脈沖星新時(shí)代正在到來，人類認(rèn)識(shí)宇宙將邁向新臺(tái)階。

總之，可以預(yù)知的脈沖星觀測(cè)將突破原有的樣本數(shù)目，各種新型脈沖星天體將不期而至，我們正在迎接一個(gè)中國自主大科學(xué)裝置發(fā)現(xiàn)時(shí)代的到來。中國科學(xué)正在經(jīng)歷換道超車，可以樂觀地預(yù)見，“中國天眼”將引領(lǐng)世界進(jìn)入一個(gè)萬顆脈沖星研究、刷新宇宙認(rèn)知的新時(shí)代。