中國脈沖星觀測研究的發(fā)展歷程

1967年發(fā)現(xiàn)脈沖星轟動(dòng)世界。發(fā)現(xiàn)者之一的休伊什獲得1974年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。隨后脈沖星的觀測研究成為國際最熱門的研究領(lǐng)域之一。當(dāng)時(shí)我國天文界無人問津，直到1976年才有關(guān)于脈沖星的研究論文發(fā)表，而脈沖星的觀測研究一直處于空白狀態(tài)。

拉開脈沖星觀測研究的序幕

1988年我到澳大利亞使用Parkes的64米射電望遠(yuǎn)鏡觀測脈沖星很成功，獲得南天脈沖星偏振觀測最大的一個(gè)觀測樣本，隨后發(fā)表了3篇觀測結(jié)果的論文。合作者曼徹斯特（R. N. Manchester）教授是澳大利亞國家射電天文臺的首席科學(xué)家，萊恩（A. G. Lyne）教授是英國焦德爾班克射電天文臺臺長，后來他們都成為了各自國家科學(xué)院的院士。

這次觀測工作的成功打開了中國學(xué)者利用國際大型射電望遠(yuǎn)鏡觀測脈沖星的大門。我開了眼界，學(xué)到很多知識和技能。1990年，北京天文臺15米射電望遠(yuǎn)鏡基本建成，王綬琯院士召開座談會(huì)，討論觀測研究課題。我提出觀測脈沖星的建議，得到王院士的認(rèn)可，很快成立了研究小組，指定由我和金聲震兩人負(fù)責(zé)。小組成員有康連生、黃茂海、吳海娃、韓金林和賀龍松。雖然觀測設(shè)備極其簡陋，與國際水平相差很遠(yuǎn)，但這一觀測實(shí)驗(yàn)是改變我國空白狀態(tài)的第一次沖刺。我們很愿意為之付出。王綬琯院士也非常關(guān)心這個(gè)課題。

15米射電望遠(yuǎn)鏡的天線當(dāng)時(shí)還不能跟蹤觀測，只能當(dāng)中星儀使用。金聲震指導(dǎo)黃茂海完成了一塊脈沖星觀測專用的單頻率通道數(shù)據(jù)采集板，成為關(guān)鍵部件。因陋就簡，湊齊了我國第一臺觀測脈沖星的簡易設(shè)備。大冬天開始觀測，一切都在室外進(jìn)行，很是艱難。但最大的困難卻是電磁干擾嚴(yán)重。這個(gè)很窄的頻段屬于射電天文的保護(hù)頻段，很多單位都在用，造成干擾。午夜以后干擾情況好一些，終于觀測到兩顆脈沖星的周期性信號，觀測結(jié)果發(fā)表在北京天文臺臺刊上。由于干擾問題始終存在，無法解決，王綬琯院士最后決定結(jié)束實(shí)驗(yàn)觀測。

我國首個(gè)脈沖星觀測基地

北京的實(shí)驗(yàn)沒有成功，但希望并沒有破滅。上海天文臺和烏魯木齊天文站都?xì)g迎我們?nèi)ビ^測脈沖星，我們選擇去烏魯木齊天文站（下簡稱烏站）繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

在烏站南山觀測脈沖星一舉成功

1996年春節(jié)前2周，我和北臺康連生高工來到烏站。25米射電望遠(yuǎn)鏡跟蹤自如，口徑比較大，特別是沒有電磁干擾，觀測一舉成功，很快就在《天體物理學(xué)報(bào)》發(fā)表了4顆脈沖星觀測成果的論文。作者是吳鑫基、康連生、金聲震、李素琴、王娜、加爾肯、張洪波、王維俠和郭立智。

觀測成功，最高興的要數(shù)站長張晉。他一心要開展單天線的觀測課題，開始得到實(shí)現(xiàn)。不僅望遠(yuǎn)鏡得到充分利用，還擁有自主研究項(xiàng)目。我深知我們的脈沖星接收終端非常簡陋。要盡快研制先進(jìn)的接收系統(tǒng)，觀測波段選擇18厘米，即L波段。還必須著手培養(yǎng)研究骨干，我很看好王娜，烏站已準(zhǔn)備派她去澳大利亞一年學(xué)習(xí)分子譜線，還沒有聯(lián)系上接收單位。我建議她改學(xué)脈沖星，得到張晉的同意。當(dāng)年10月王娜就到了著名脈沖星專家曼徹斯特教授那里學(xué)習(xí)。

當(dāng)時(shí)的設(shè)備能對10多顆脈沖星進(jìn)行長期監(jiān)測，可以獲得一些研究成果。張晉站長把派到北京天文臺“青年小組”工作表現(xiàn)很好的艾力·伊調(diào)回烏站。這位畢業(yè)于北京師范大學(xué)天文系的維族青年朝氣蓬勃，愿意接受挑戰(zhàn)。從頭做起，他很快就進(jìn)入狀態(tài)，還有所創(chuàng)新，將靈敏度提高了約一倍。借用北京天文臺的49厘米波段前置放大器，又增加了一個(gè)新的觀測波段。陸續(xù)發(fā)表了10多篇論文，其中一篇在國際著名期刊《天文與天體物理》（A&A）上發(fā)表。經(jīng)張晉站長推薦，艾力考上了北京大學(xué)博士，由我與英國萊恩教授共同指導(dǎo)，使他獲得到英國焦德班克射電天文臺學(xué)習(xí)一年的機(jī)會(huì)。艾力·伊在脈沖星研究方面工作出色，很快晉升為研究員，他也是當(dāng)時(shí)新疆臺唯一有天體物理光學(xué)觀測研究經(jīng)歷的人。

脈沖星接收設(shè)備立項(xiàng)

我們決定研制一套“18厘米波段雙偏振制冷式消色散接收設(shè)備”，要求達(dá)到世界一流水平。曼徹斯特教授來信表示盡力相助，從澳、英引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)是沒有問題了，最大的困難是如何獲得200萬經(jīng)費(fèi)。

張晉站長拜托我張羅烏站脈沖星課題的發(fā)展事宜，授權(quán)我代表烏站與國內(nèi)外同行討論有關(guān)脈沖星研究合作及邀請外賓訪問烏站事宜。

1997年初，中科院射電天文聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室召開學(xué)術(shù)委員會(huì)會(huì)議，請我作關(guān)于我國脈沖星觀測研究發(fā)展建議的報(bào)告。我就正式提出烏站研制脈沖星接收設(shè)備的建議，得到學(xué)術(shù)委員會(huì)的支持。但經(jīng)費(fèi)需要我們多渠道去爭取。這200萬元的經(jīng)費(fèi)真使我們?yōu)殡y，前景渺茫。

1997年2月，我第二次訪問香港大學(xué)物理系。鄭廣生教授得知烏站的脈沖星觀測獲得成功，非常高興。他的博士論文給出的脈沖星輻射外間隙模型非常有名。當(dāng)?shù)弥乙蛉鄙俳?jīng)費(fèi)而著急時(shí)，他立即表態(tài)可以馬上提供急需的2萬美元，其余的第二年申請基金。

這2萬美元的資助非同小可，中科院隨之匹配資助約20萬元的經(jīng)費(fèi)，第一階段所需的經(jīng)費(fèi)就有了。我們相信，如果第一階段成果豐碩，第二階段的經(jīng)費(fèi)向中科院申請就容易得多。

鄭廣生提議簽訂一個(gè)中、澳、英合作的書面協(xié)議，于是由我起草合作協(xié)議初稿，曼徹斯特教授修改定稿，這就是“三國五方協(xié)議”的由來。目標(biāo)很明確，就是幫助烏站研制一套18厘米波段制冷式雙偏振消色散脈沖星接收系統(tǒng)。澳、英將無償提供先進(jìn)技術(shù)、軟件系統(tǒng)和觀測樣本，香港大學(xué)提供部分經(jīng)費(fèi)。協(xié)議由烏站的張晉、北京大學(xué)的吳鑫基、香港大學(xué)的鄭廣生、澳大利亞的曼徹斯特、英國的萊恩簽字，北京大學(xué)和烏站還蓋了單位公章。協(xié)議包括王娜到澳大利亞學(xué)習(xí)工作一年的任務(wù)，從1996年10月開始執(zhí)行。

烏站建成我國第一個(gè)脈沖星觀測基地

正當(dāng)中國的天文工作者紛紛去國外進(jìn)修、訪問、觀測的時(shí)候，烏站的脈沖星觀測項(xiàng)目卻把兩位國際頂尖學(xué)者吸引到國內(nèi)的項(xiàng)目中來了，都到烏站訪問和工作過，曼徹斯特最積極，幾乎每年都要訪問烏站和北京大學(xué)，貢獻(xiàn)最大。

我們的“脈沖到達(dá)時(shí)間的觀測”課題需要非常多的觀測時(shí)間進(jìn)行不斷的重復(fù)觀測，1年、2年、10年，甚至幾十年，大型射電望遠(yuǎn)鏡無法接受這樣的課題，然而烏站的25米望遠(yuǎn)鏡卻容易做到，這使我們在國際競爭中具有很大的優(yōu)勢。

合作項(xiàng)目分為兩個(gè)階段實(shí)施：首先研制室溫系統(tǒng)，靈敏度比單頻率通道系統(tǒng)提高15倍；第二階段研制制冷系統(tǒng)，靈敏度再提高5倍，達(dá)到1毫央斯基（mJy）的靈敏度。

第一階段工作分4部分：由萊恩教授負(fù)責(zé)在英國研制消色散接收和數(shù)字化系統(tǒng)；烏站派艾力·玉去澳大利亞研制降頻轉(zhuǎn)換器，由曼徹斯特教授指導(dǎo)和安排應(yīng)用64米射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行與消色散接收系統(tǒng)的聯(lián)測；由張晉負(fù)責(zé)在烏站研制雙偏振前置放大器、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)等；在北京大學(xué)的王娜負(fù)責(zé)引進(jìn)觀測軟件、以后的觀測和撰寫論文。第一階段完成后，開始對74顆脈沖星進(jìn)行“脈沖到達(dá)時(shí)間”的監(jiān)測，不斷獲得可以發(fā)表的觀測結(jié)果。

第一階段工作結(jié)束后，合作項(xiàng)目完成了14篇論文，其中8篇的第一作者是王娜。在天文學(xué)界頂級期刊英國的《MNRAS》上發(fā)表的長篇論文成為中國望遠(yuǎn)鏡脈沖星觀測進(jìn)入世界行列的標(biāo)志。

由于第一階段的成果豐碩，烏站向中科院申請150萬經(jīng)費(fèi)，在眾多項(xiàng)目中脫穎而出，獲得批準(zhǔn)。烏站派出孫正文和王維俠兩位工程師去澳大利亞國家射電天文臺，由澳方提供設(shè)計(jì)并給予指導(dǎo)。完成了制冷式前置放大器的研制，并將其運(yùn)用在64米射電望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行測試，性能超過規(guī)定指標(biāo)。此舉又使烏站觀測脈沖星的靈敏度提高了5倍，并立即開展對280顆脈沖星的監(jiān)測，觀測研究又上了一層樓。

烏站以很快的速度建成我國第一個(gè)以18厘米波段為主的具有多波段觀測能力的脈沖星觀測基地，實(shí)現(xiàn)跳躍式發(fā)展，在觀測設(shè)備、觀測成果和人才成長三方面獲得豐收。在國際著名期刊上發(fā)表烏站脈沖星觀測成果已屢見不鮮。王娜也成長為脈沖星研究的學(xué)術(shù)帶頭人，并任新疆天文臺的臺長。2002年7月1日三國五方第二個(gè)合作協(xié)議簽字儀式在烏魯木齊隆重舉行，開始了新一輪的合作。

由王娜牽頭提出建造口徑110米的奇臺射電望遠(yuǎn)鏡（QTT）。在最短工作波段、主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)、跟蹤精度、站址條件等方面對標(biāo)目前世界第一的美國格林班克望遠(yuǎn)鏡。這是一臺能與FAST比美的望遠(yuǎn)鏡，靈敏度不如FAST，但觀測天區(qū)范圍和觀測頻率范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過FAST，相互補(bǔ)充，不可或缺。QTT已經(jīng)引起國際科學(xué)界的高度重視，2022年末英國《自然》期刊在展望2023年最值得關(guān)注的重要科學(xué)事件中包括了奇臺望遠(yuǎn)鏡的開工建設(shè)。QTT的開工建設(shè)首先應(yīng)該歸功于王娜為首的一批年輕人。他們提出和推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目，堅(jiān)持高標(biāo)準(zhǔn)，絕不后退。經(jīng)過十幾年的預(yù)研究，終于正式立項(xiàng)，開工建設(shè)。沒有王娜等的努力和堅(jiān)持就不會(huì)有奇臺射電望遠(yuǎn)鏡。

我國天文界掀起觀測脈沖星的熱潮

王綬琯院士對烏站脈沖星觀測給予很高的評價(jià)：“其重要學(xué)術(shù)意義還在于，用小望遠(yuǎn)鏡做了一項(xiàng)重要的學(xué)科開拓，帶動(dòng)了我國脈沖星實(shí)測研究?！?當(dāng)今我國幾乎所有天文臺都已啟動(dòng)脈沖星的觀測研究。

陜西國家授時(shí)中心40米射電望遠(yuǎn)鏡

國家授時(shí)中心的前身是陜西天文臺，主要從事“時(shí)間”工作。脈沖星準(zhǔn)確的周期提供了一種時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，稱為“脈沖星鐘”。1996年烏站觀測脈沖星成功，陜西天文臺的反應(yīng)很強(qiáng)烈。多次舉辦學(xué)術(shù)會(huì)議商討陜臺脈沖星觀測事宜，楊廷高研究員說：“1999年，王綬琯和蘇定強(qiáng)、吳鑫基等交換意見之后，提出在國家授時(shí)中心建設(shè)4面直徑各為50米的子午儀式射電望遠(yuǎn)鏡，專門用于脈沖星鐘的研究?！逼湓O(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是：接收面積達(dá)到直徑100米射電望遠(yuǎn)鏡的觀測能力，技術(shù)比較簡單，造價(jià)比口徑100米的低得多。

陜西天文臺采納了王綬琯的方案，進(jìn)行了選址，最終因?yàn)榻?jīng)費(fèi)問題未能實(shí)現(xiàn)。2014年國家授時(shí)中心研制了口徑40米的可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡，主要用于脈沖星的觀測研究，兼顧分子譜線和VLBI觀測，臺址選在鄰近西安的洛南縣。40米天線配備了國家天文臺為他們研制的接收機(jī)和脈沖星終端設(shè)備。羅近濤研究員主持研制的數(shù)字化脈沖星終端非相干消色散模式和相干模式兩種設(shè)備，進(jìn)一步提高了觀測脈沖星的能力。

國家天文臺50米脈沖星射電望遠(yuǎn)鏡

王綬琯院士一直關(guān)心我國脈沖星的觀測研究，21世紀(jì)初提出在北京密云建造50米口徑脈沖星射電望遠(yuǎn)鏡，完成了天線的設(shè)計(jì)，啟動(dòng)了接收機(jī)的研制。2004年由于我國嫦娥探月工程啟動(dòng)，只好忍痛割愛，把天線讓給了探月工程。金乘進(jìn)博士負(fù)責(zé)的團(tuán)隊(duì)研制完成了脈沖星接收機(jī)系統(tǒng)。雖然沒有在50米望遠(yuǎn)鏡上展現(xiàn)，但他們所練就的本事和積累的經(jīng)驗(yàn)在后來的貴州500米射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）的接收設(shè)備的研制和國際合作中得到了充分發(fā)揮。為50米望遠(yuǎn)鏡購置的脈沖星數(shù)字濾波器（PDFB）消色散設(shè)備成全了云南天文臺，大大提高了云南天文臺觀測脈沖星的能力。國家天文臺還為國家授時(shí)中心洛南40米射電望遠(yuǎn)鏡研制了一套射頻電路及脈沖星終端設(shè)備。

云南天文臺40米射電望遠(yuǎn)鏡

云南天文臺在2006年為探月工程建成了40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡，其口徑比新疆天文臺的大，所在地的緯度又比烏魯木齊低，能觀測較多的南天脈沖星，因此天文界寄予厚望。

2008年，“嫦娥一號”上天，云南天文臺完成測軌任務(wù)后，開始進(jìn)行脈沖星觀測實(shí)驗(yàn)。當(dāng)年10月我受邀訪問云南天文臺，促成了云南天文臺和烏站進(jìn)一步的合作，系統(tǒng)講授脈沖星知識和參與課題組的討論。令人高興的是，在我離開昆明的前一天，他們成功地觀測到脈沖星，之后陸續(xù)得到9顆脈沖星的平均脈沖輪廓。

2011年他們與國家天文臺合作，利用國家天文臺的PDFB使觀測靈敏度有很大的提高。2012年開始，國家天文臺岳友嶺和北京大學(xué)李柯伽、盧吉光相繼與云南天文臺合作，射電望遠(yuǎn)鏡觀測能力又有提高，獲得90余顆脈沖星的平均輪廓。2016年，射電望遠(yuǎn)鏡新增C波段饋源和C波段制冷接收機(jī)，成功地實(shí)現(xiàn)了對9顆脈沖星的觀測。

2020年9月，云南天文臺景東120米口徑脈沖星射電望遠(yuǎn)鏡正式啟動(dòng)。這是國際上口徑最大的可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡。由于脈沖星觀測不需要在太高的頻率，望遠(yuǎn)鏡技術(shù)要求和建造成本都會(huì)降低很多。

上海天文臺65米射電望遠(yuǎn)鏡

2012年10月上海天文臺65米射電望遠(yuǎn)鏡建成，這是我國第一臺進(jìn)入國際先進(jìn)行列的可跟蹤射電望遠(yuǎn)鏡，亞洲最大，其觀測性能并列世界第4。也是我國首次采用主動(dòng)光學(xué)技術(shù)，使得高頻觀測的效率大大提高。優(yōu)于澳大利亞的64米射電望遠(yuǎn)鏡。上海天文臺是我國甚長基線干涉儀網(wǎng)的中心、歐洲網(wǎng)的最早參與者，65米射電望遠(yuǎn)鏡的建成使我們在歐洲網(wǎng)以及與其他網(wǎng)聯(lián)測中起著更重要的作用。

上海天文臺臺長沈志強(qiáng)是建造65米射電望遠(yuǎn)鏡（天馬望遠(yuǎn)鏡）的首席科學(xué)家。望遠(yuǎn)鏡建成后，組建了由他領(lǐng)導(dǎo)的脈沖星研究小組。2013年我被正式邀請加入他們的脈沖星小組，不久，曼徹斯特也參與其中。除了協(xié)助指導(dǎo)研究生的工作，我們的主要任務(wù)是在8.6，5.0，2.3吉赫茲頻段上的脈沖星觀測研究。已經(jīng)有很多觀測成果，僅在著名期刊APJ上就發(fā)表了5篇論文。

我國脈沖星觀測更上一層樓

2016年FAST建成，成為世界上口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡。到目前為止，全世界50多年累計(jì)發(fā)現(xiàn)的射電脈沖星超過3000顆，而FAST的觀測能力將會(huì)超過這個(gè)數(shù)字，目前已經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)約740顆。FAST首席科學(xué)家南仁東對脈沖星的觀測研究特別重視，曾邀請我參加FAST科學(xué)目標(biāo)專家組，負(fù)責(zé)撰寫脈沖星相關(guān)文件，最后由他親自修改定稿。在FAST建造階段，他就組織觀測脈沖星的隊(duì)伍，在試觀測階段就發(fā)現(xiàn)了很多顆脈沖星。

再過幾年，云南景東120米脈沖星射電望遠(yuǎn)鏡和新疆奇臺110米射電望遠(yuǎn)鏡建成，將與上海65米射電望遠(yuǎn)鏡一起組成世界上最強(qiáng)大的全可動(dòng)射電望遠(yuǎn)鏡群。它們的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，能夠?qū)ι潆娫催M(jìn)行長時(shí)間的跟蹤觀測，而且覆蓋的天區(qū)范圍比FAST大很多。其中奇臺望遠(yuǎn)鏡和天馬望遠(yuǎn)鏡的頻率覆蓋能達(dá)到毫米波。FAST與這3臺大型射電望遠(yuǎn)鏡相互配合，將使我國的脈沖星綜合觀測能力位居世界領(lǐng)先地位。

關(guān)鍵詞：脈沖星觀測 射電望遠(yuǎn)鏡 FAST ■