正在阅读: 解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

来源:光明网2019-09-17 09:56

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  最近,中国天眼FAST探测到了快速射电暴FRB121102大量重复爆发,其捕捉的爆发数量为目前全世界已知最多(点击阅读原文了解更多)。快速射电暴是目前已知宇宙中射电波段最明亮的爆发现象,那么FAST在快速射电暴的研究上有哪些优势呢?一起来看看吧~

  FAST对FRB的研究具有独特的重要意义

  快速射电暴起源于遥远的星系,是射电波段最亮的信号。据估计,每天抵达地球的爆发脉冲多达几千到上万次,而我们对于其物理机制只有猜测,远远没有定论。据FRBCAT统计,截止目前已经有近百个FRB的发现,其中10多个被认定为重复爆发的快速射电暴。FAST视场相对较小,在发现新的FRB上和大视场望远镜如CHIME比,不占优势。但是它的灵敏度极高,对FRB的研究具有重大意义。FAST是理想的重复暴观测设备, 可以得到全世界最好的爆发信噪比及爆发率统计数据。此外,FAST将有可能探测到宇宙中最遥远的FRB。几天以来,我们已经探测到数百次的重复爆发,是已知最多的。目前仍在数据处理中。

  FAST FRB 终端:Building telescope is a game of shrinking dream

  本次快速射电暴的爆发首先由 FAST快速射电暴实时探测终端(FAST FRB 终端) 实时捕捉并预警。望远镜终端设备的建设是一个打怪升级的过程。从想法、设计和仿真到样机,从样机到可以测试使用的设备,从可以自己使用操作到可以供全世界天文学家观测使用的常规设备。每一步,都不容易。

  Lorimer博士在处理大麦哲伦星云脉冲星巡天数据的时候,发现了第一个快速射电暴(图1)。其亮度惊人,在多个不同指向的波束中看到,相当比例的数据已经饱和。直到今天,人类也不确切知道其真实亮度。由于只有一次探测,很难确认其真实性和起源。在2007年发表于《科学》杂志之后,被称为“Lorimer Burst", 但是受到普遍怀疑,特别是澳大利亚天文台的微波炉也被发现有生成脉冲特征信号的能力。直到2013年Thornton等人认证了其他四个爆发,这种现象才被称作快速射电暴,开启了目前最为热门的一个天文子领域。

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

  图1:由Duncan Lorimer发现的第一个快速射电暴FRB 010724 (Lorimer et al. 2007, Science, 318, 777L)

  快速射电暴领域兴起时,FAST早已设计完成,开工都已经两年多了。大型设备的升级总是复杂、系统的挑战。2015年,我们与国际射电望远镜终端合作开发平台CASPER的创始人伯克利Werthimer教授进行了详细的探讨,确定了拓展19波束终端,建设实时探测、触发原始数据存储的FRB终端的方案。2016年,受中国科学院天文大科学中心邀请,西弗吉尼亚大学Lorimer教授和伯克利大学Heiles教授到FAST工程现场合作,进一步讨论了终端建设、偏振调试等等技术方案。

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

  图2:右起依次为Duncan Lorimer, Carl Heiles, 蔡肇伟,李菂。摄于2016年12月

  FAST FRB 终端建设团队需要电子工程等工程学背景的人才,而工程技术人才职业发展的选择非常多,天文领域的待遇并不高。为了吸引学生加入团队,段然博士用其导师Sandy Weinreb的亲身经历鼓励大家。Weinreb是电子工程的博士,发明了世界第一台digital auto-correlator, 在射电波段首次发现星际分子羟基(OH)。他的数字相关机技术,现在应用于全世界几乎所有的主要望远镜 。Weinreb博士在2008年获得射电天文大奖the Grote Reber Medal。

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

  图3:射电天文第一个星际分子发现(左)及第一台数字相关机(Weinreb et al. 1963 Nature)

  “自古伟大的天文学家,不都是自己造望远镜的么?我们非常幸运,可以参与到FAST望远镜的建设里来,很多人一辈子都赶不上”。后端团队最爱说的一句话是“Building telescope is a game of shrinking dreams"。这是一支心怀梦想,坚韧不拔的小团队。

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

  图4:2015年团队成员在实验室调试

  2015年, 团队成员在实验室调试终端设备(上图)。

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

  图5:2016年临时终端室调试(上)、2017年终端室调试(中)、在FAST现场组织FRB终端技术研讨(下)

  2016年的FAST现场远不像现在这么漂亮。当时还是硕士研究生的张馨心用泡沫塑料做椅子,用UPS电源箱做桌子(危险勿仿),坚持完成调试工作。作为驻守在现场最久的终端建设人员,张馨心至今仍每年超过200天在FAST现场度过。临时终端室地板是临时搭建的,容易踩空,团队成员还曾掉下去过,好在没有受重伤。2017年,FAST现场指挥部建设完成,终端设备搬进了终端室,再也不用担心地板不稳掉下去了。

  2018年9月,在FAST现场,我们组织合作成员UC Berkeley, 北师大,新疆台的团队,技术攻关和初步测试。

  FAST FRB终端:一根敏感的脉冲视神经

  我们利用FRB终端试观测已知脉冲星,测试信号捕捉能力和基本指向对应。我们利用人为发射单脉冲信号,来校准FRB终端,调整触发的阈值。结合已知脉冲星的实测数据, 调节FRB终端针对信号变化的属性。

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

  图6:FAST FRB终端针对已知脉冲星(左)和人工生成脉冲(右)的测试

  最近的几个月,我们持续的对重复快速射电暴进行跟踪观测, 同时也在漂移扫描的时候并行监测。

  2019年8月10日,FRB 终端在漂移扫描时,发现一颗新的脉冲星。在运行启动很短的时间内就有新脉冲星的发现,验证了FRB终端高效和强悍的脉冲捕捉能力。

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

  图7:FAST FRB终端实时捕捉的一颗新的脉冲星信号

  北京时间8月30日凌晨,FAST FRB终端实时捕捉FRB121102爆发,记录了原始数据并预警。硕士毕业后继续留在团组工作的助理工程师张馨心当天在FAST现场操作FRB 终端观测,边观测边实时检索候选体图片,发现持续的DM在500-600之间的单脉冲爆发。这在对FRB121102之前的跟踪观测中,并未见到。我们意识到可能是真实爆发,并迅速通知相关人员。FAST工程调试团队第一时间做出了响应,调整观测计划,安排补充凌晨的时间跟踪观测FRB121102。

解密宇宙神秘信号FRB 中国天眼有奇招

  图8:FAST FRB 终端实时捕捉的FRB121102的爆发信号之一

  FAST FRB 终端系统具有高效的实时脉冲捕捉能力,可以和大部分观测任务并行观测。好似给天眼装了一根敏感的视神经,只要是有脉冲,不管是快速射电暴还是新的脉冲星,都可以实时察觉并迅速反映。

  关于FRB的可能解释和模型

  FRB领域的发展轨迹很像“伽马射线暴”领域的早期。人类从发现“伽马射线暴”到达成普遍接受的合理解释经过了几十年。射电望远镜技术的发展,和预计中的大量可探测的FRB事件,使我们有理由相信FRB的起源会被更快的揭示。

  据不完全统计,目前关于FRB起源的模型有数十种。这些模型分为可重复的(解释重复暴)和灾变性的(解释不重复暴)。重复暴的可能起源包括脉冲星的巨脉冲,星际及星系间介质的放大作用,磁星爆发或同步脉泽辐射,中子星磁层与临近天体相互作用,小行星撞中子星等。灾变性FRB的起源模型包括超大质量中子星坍缩,双中子星并合,黑洞并合,宇宙弦释放能量等。目前观测限制极度缺乏。甚至有文章讨论FRB来源于地外智慧生命的可能性。这不是本文作者的观点,但反应了FRB带来的我们对已知的未知和未知的未知的探索追求。

  探索未知的好奇心是基础科学的原动力。一半的天文发现是“happy accident”, 包括宇宙微波背景辐射,加速膨胀的宇宙, 脉冲星, 伽马射线暴,和现在的FRB等等。阿雷西博望远镜建设在脉冲星发现之前。而阿雷西博脉冲星的观测成果证实了引力波的存在,获得1993年诺贝尔物理学奖。让我们保持一个好奇的,开放的心态,期待FAST和人类的更多发现。

  FAST FRB 后续期待

  凭借FAST极高的灵敏度和FRB终端高效的捕捉能力,我们相信,FAST不仅在重复暴的监测上将持续发挥作用, 我们将会在FRB领域有持续的新发现,请大家拭目以待。

  作者:段然,博士毕业于加州理工大学Caltech 电子工程系,负责FAST FRB 终端和CRANE 终端平台建设。曾负责CSO,SPIDER, CCAT等望远镜信号处理系统设计/建设和亚毫米波器件设计;李菂,国家天文台研究员,FAST FRB 终端项目PI。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 福建:严防台风“黑格比”

  • “十五的月亮十四圆”

独家策划

推荐阅读
据美国约翰斯·霍普金斯大学的实时统计数据显示,截至北京时间8月3日16时34分许,全球新冠确诊病例累计超1809万例,累计死亡近69万例。同日,挪威公共卫生官员称,一艘豪华邮轮发生聚集性感染,至少40名乘客和船员的新冠病毒检测结果呈阳性。
2020-08-04 09:50
2020年,充电桩被列入国家七大“新基建”领域之一。为了达到车规级标准,度普灵活储能快充桩,使用车规级磷酸铁锂电池,并采用高效率液冷功率模块。灵活储能快充桩省去了建桩成本,场地要求低;能够按需布网,随时调整位置;运营商可及时调整充电桩布局,提高运营效率。
2020-08-04 09:28
这架大型气象探测无人机成功下投30枚探空仪,与毫米波雷达一起,对台风“森拉克”外围云系进行了“CT式立体扫描”。试验技术组组长、中国气象局气象探测中心副总工张雪芬表示,试验使用的无人机及所有探测载荷,具有完全自主知识产权。
2020-08-04 09:28
(姜新雅)就毕马威中国发布的《数据大治理》报告,毕马威中国首席经济学家康勇表示,随着数据在各方面的广泛应用,目前,数据治理已经成为企业萃取更大业务价值、优化产品管理、拓展市场新渠道的重要手段和工具。
2020-08-04 09:27
火星探测器登陆火星之前,人们就已经对火星进行了大量研究,有些研究依托的就是火星陨石。近日,中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室副研究员胡森及其合作者,还首次在火星陨石中发现柯石英。
2020-08-04 09:25
在《水浒传》中,宋江在祝家庄用一盏高悬的红灯笼指挥人马,取得了胜利。比如用蓝光、红光、紫光传递不同信号,进而实现多色光的控制,同时通过加入逻辑运算,控制更加复杂的细胞行为。
2020-08-04 09:24
基因疗法可以通过对引起疾病的突变基因进行“纠正”,从而为遭受先天性遗传病困扰的患者带来治愈的希望。这种基因疗法的关键研究始于2017年,旨在治疗的是一种由单个基因突变引起的致命性疾病——X染色体连锁肌小管性肌病。
2020-08-04 09:24
王光义吃透流程后,打出了一系列组合拳,优化了射后恢复处理阶段的工作,最终抢出了4天时间。2013年,王光义调来海南文昌发射场,和在西昌的家人,开始了漫长的两地分居。
2020-08-04 09:23
“2019年估值超过10亿美元的中国科技创新领军企业(特指成立时间不超过10年、获得过私募投资且未公开上市,企业估值达到10亿美元以上的企业)数量达到218家,总估值7964亿美元,平均估值36.5亿美元。
2020-08-04 09:22
近日,三菱化学和一家包装材料制造商共同研发出了可在海水中降解的塑料袋。联合国的一份报告指出,虽然日本人均产生的废料比大多数发达国家少,但人均产生的塑料废料却比除美国以外的世界任何地方都多。
2020-08-04 09:21
俄罗斯莫斯科国立电子技术学院国家技术倡议“感官科学”中心研发出一项基于异质结构的红外光电探测器模块(InGaAs)技术。弗拉基米尔·埃戈尔金称,硅基光电探测器技术目前已在全球普及,但其功能性不如基于磷化铟衬底的铟镓砷化合物的异质结构光电探测器。
2020-08-04 09:20
据美国广播公司(ABC)、哥伦比亚广播公司(CBS)新闻网站3日消息称,北京时间8月3日凌晨,美国探索技术公司(SpaceX)的载人龙飞船完成了其首次载人飞行,成功以“海面溅落”形式返回地球,SpaceX官网宣布这一阶段项目完成。在龙飞船与国际空间站分离前的6小时,SpaceX和美国国家航空航天局(NASA)共同确定了本次首选的溅落区。
2020-08-04 09:20
据英国《自然·地球科学》杂志3日发表的一项最新行星科学研究,早期火星的峡谷可能正是在大量冰盖下方形成的。研究显示,古代火星南部高地的峡谷网曾受到河流侵蚀,这说明峡谷形成时火星的气候是温暖而潮湿的。
2020-08-04 09:19
物理学家组织网近日消息称,全球卫星导航系统全面建成,标志着中国作为主要太空大国的发展又迈出了一步。努内斯教授表示,随着互联网时代的到来,高精度时空信息应用需求日益迫切,无人驾驶汽车,无人机行业等都需要动态的高精度服务。
2020-08-04 09:19
3日,国家科学技术奖励工作办公室公布了2020年度国家科学技术奖的初评结果,本年度初评通过46项国家自然科学奖项目、47项国家技术发明奖通用项目、133项国家科学技术进步奖通用项目。
2020-08-04 09:18
“今年在我的家乡湖南石门县,北斗监控系统提前预警,保障了人民群众生命财产安全。冉承其介绍,依靠北斗卫星系统,地面建设了一张高精度增强网,国内有近3000个地面站,最高精度能够达到实时处理厘米级、事后处理毫米级。
2020-08-04 09:17
8月3日17:30~19:00
今年第4号台风“黑格比”即将于3日夜间至4日凌晨在浙江温岭到福建福鼎一带沿海登陆。中国天气将联合浙江,针对“黑格比”带来的风雨影响进行现场直击,并对其登陆时间,未来趋势,风雨变化进行权威分析。
2020-08-03 17:34
国务院新闻办公室于8月3日举行新闻发布会,中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其等介绍北斗三号全球卫星导航系统建成开通有关情况,并答记者问。
2020-08-03 12:51
新华社北京8月3日电 关于“共和国勋章”和国家荣誉称号建议人选的公示  为隆重表彰在抗击新冠肺炎疫情斗争中作出杰出贡献的功勋模范人物,党中央决定开展“共和国勋章”和国家荣誉称号评选颁授。
2020-08-03 12:46
中国北方广袤的内蒙古草原上,牛羊走到哪里,牧民就跟到哪里的传统,正借助“北斗”系统悄然改变。牧民在移动终端开启微信小程序后,屏幕上就显示出牛的地理位置,这是由北斗卫星导航系统的定位功能实现的。
2020-08-03 09:59
加载更多