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

  • 广西:皇柳高速建成通车

  • 菲律宾公务船冲闯黄岩岛附近海域

独家策划

推荐阅读
国家药监局近日批准全球首个选择性食欲素2型受体激动剂上市,用于治疗16岁及以上青少年和成人1型发作性睡病。该药为原创靶点、新机制罕见病治疗药物,在中国、美国、日本、欧盟同步申报,我国率先完成审批,实现全球“首报首发”的历史性突破。
2026-07-24 08:55
记者从市场监管总局了解到,国际电工委员会智能制造系统委员会近日发布IEC SRD 63459:2026《智能制造用例模板》国际标准。为此,国际电工委员会智能制造系统委员会于2019年成立首个工作组,组织各国专家制定国际统一的智能制造用例模板,以统一的方式描述、存储和使用用例。
2026-07-24 08:51
23日20时,我国在西昌卫星发射中心使用长征三号乙运载火箭,成功将天链二号06星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,发射任务取得圆满成功。
2026-07-24 08:50
王虹、邓煜与其他两位数学家共同获得菲尔兹奖,这是令国人振奋的消息,也是中国数学家感到自豪的时刻。邓煜的另一项研究,是与合作者成功建立了三维波动方程吉布斯测度的不变性,将概率论方法系统性地引入波动方程研究。
2026-07-24 08:49
记者从北京大学获悉,2026年国际数学家大会23日在美国费城开幕。王虹,本科就读于北京大学数学科学学院,获理学学士学位;2014年相继取得巴黎综合理工学院工程师学位与巴黎-萨克雷大学硕士学位;后于麻省理工学院完成博士学位。
2026-07-24 08:48
7月22日,美国佛蒙特大学研究团队在《自然》杂志发表论文称,他们在北美鲶鱼体内发现一种可传染的黑色素瘤。换言之,肿瘤细胞本身就是“感染因子”,如同寄生虫一般,从一条鱼传到另一条鱼。这些带病的鲶鱼,正为科学界提供一个观察癌症演化的难得机会。
2026-07-23 09:57
《自然》杂志22日发表了一项天文学研究,可能揭示了人类对首个已知的系外卫星(exosatellite)的观测。在三层等级系统中,一颗恒星周围有一颗伴星,如行星或褐矮星,而第三个天体围绕伴星,这第三个天体可称为系外卫星。
2026-07-23 09:57
生物腐烂是生态系统养分循环的关键过程,但腐烂区域同时也是病原微生物高度活跃、可能对活体植物造成侵害的“危险区”。
2026-07-23 09:49
习近平总书记在国家科学技术奖励大会、两院院士大会、中国科协第十一次全国代表大会上的讲话中指出,“科学的未来在青年”,强调“要把青年科技人才队伍建设作为一项战略工程,全方位做好培养、引进、使用工作”。
2026-07-23 09:49
黄瓜是受到全球广泛喜爱的蔬菜,它源自喜马拉雅山脉南麓,由其野生祖先驯化而来,历经2000余年的传播扩散,遍布世界。中国科学院院士、崖州湾国家实验室副主任钱前评价,该研究为黄瓜分子设计育种提供了坚实支撑,兼具重要基础科学价值与育种应用前景。
2026-07-23 09:48
中国水稻研究所研究员王克剑团队近日在杂交水稻育种领域取得重要进展——成功研发出克隆效率稳定超过99%、结实完全正常的一系法杂交水稻,团队将其命名为“一系1号”。图为团队创制的无融合生殖株系在试验田大群体种植下表现出的克隆效率与结实率情况。
2026-07-22 09:35
今年新增农业机器人、盐碱地科学与工程、智慧渔业三大新农科专业,分别由江苏大学、山东农业大学、宁波大学首批开设,为涉农人才培养开辟了新跑道。
2026-07-22 09:31
这场举世瞩目的盛会,凝聚共识,密集发布国际合作倡议与行动计划,为促进全球人工智能朝着向上向善、造福人类的方向发展注入了更多新动能。
2026-07-22 09:29
虽然现阶段机器人能做的事还很有限,但这种“人机搭档”的新模式,让我们的生活服务向高品质、多样化和便利化发展。我想,这就是科技落地的意义吧。
2026-07-22 09:28
重离子加速器是探索基本相互作用、物质结构和宇宙演化的重要工具,研究中产生的新知识、技术和方法被广泛应用于航天、医疗、农业等多个领域。
2026-07-22 09:26
无法驶出的化肥运输船,迟迟不散的热浪,突然生效的出口禁令……近期,一系列事件叠加,或许正给全球粮食安全带来显著不确定性。
2026-07-21 03:40
拔尖创新人才作为国家战略科技力量的核心支撑,其培育成效直接关系到高水平科技自立自强的进程。科学教育是拔尖创新人才培养的基础工程,必须把握青少年成长的关键期,构建全链条、一体化的科学教育新生态,推动教育、科技、人才深度融合,为强国建设筑牢人才根基。
2026-07-21 03:40
以人工智能为代表的新一轮科技革命和产业变革,正深刻重塑产业形态与劳动方式,职业教育作为对接产业最紧密的教育类型,面临的根本性问题已不再是如何培养标准化、重复性的熟练操作者,而是要回答人机协同时代究竟需要什么样的高技能人才。
2026-07-21 03:40
暑假已至,以中小学生为主力的研学游市场持续升温。外出研学已成为不少中小学生家庭的假期常规安排。家长往往将研学活动视作教育由家庭、学校向社会课堂的延伸,是学校教育的重要补充。
2026-07-21 03:40
毕业论文AI率检测,已成为无数大学毕业生关心的热点话题。AI工具引发的学术不端如何界定?为规避高AI率而拆解论文、打乱表达的无奈如何化解?AI检测产品缺少国家标准、质量参差不齐的困局如何突破?这些追问,热度居高不下,答案却远未清晰。
2026-07-21 03:40
加载更多